Advanced Science综述:低维材料光电探测器中的photogating效应

材料合成技术的发展和微纳加工水平的进步为纳米器件的研究制备提供了契机。近十多年来,低维半导体材料(包括纳米线、纳米片、二维材料等)的发展引人注目,尤其是以二维材料为典型代表的低维材料体系展现出了非同寻常的物理性质,一系列高性能电子、光电、光子器件被研究报导。在光电探测方面,传统的薄膜半导体(如Si、GaN、InGaAs、InSb、HgCdTe等)一直占据着市场的主导地位。下一代光电探测器正朝着室温、多波段、超灵敏、超小像元、超大面阵的方向发展,迫切需要新材料和新结构。以二维材料和纳米线为典型代表的低维材料迎来了发展机遇,很多室温高灵敏低维材料光电探测器被先后制备出来,甚至已经实现了388´288的室温短波红外焦平面成像(Nat. Photon., 2017, 11, 366)。我们知道,相比较于成熟的薄膜半导体,低维材料由于至少存在一个维度的尺寸远小于光波长而使得光吸收不充分,比如纳米线的光吸收截面很小,原子层厚的二维材料透光率很高。是什么物理机理导致人们仍然可以获得如此性能优越的低维材料光电探测器呢?这类器件的工作机理值得探索和总结。

近期来自中科院上海技术物理研究所的胡伟达课题组的邀请综述文章“Photogating in Low Dimensional Photodetectors”阐述了低维材料光电探测体系中的photogating效应,通过总结该机制的来源、具体实际表现,并结合已报导的文献进展,强调了photogating在低维材料光电探测器中的重要作用。

Photogating目前还没有标准的中文翻译,可以简单地字面理解为光诱导的类栅极电场调控(相当于光诱导浮栅)。文章以光导增益为切入点,首先比较了photogating和传统光导增益的异同。尽管二者光增益均可以表示为少子寿命与载流子渡越时间之比,但是photogating诱导的净光电流有着更为独特的表现,可以表达为晶体管的跨导和光诱导电势的乘积(Iph=gm´∆Vg)。光诱导电势主要体现在转移特性曲线在光辐照状态下相对于暗态的横向平移,主要由材料中的杂质、缺陷态引起。例如尽管薄至10nm,黑磷中浅杂质态引起的增益可以使黑磷在室温对中红外nW级的弱光有着几十A/W的响应(Nano Lett. 2016, 16, 4648)。此外,在复合异质结构中,光生电子空穴可能由于界面内建电场等因素而分别停留在不同的材料中从而产生光诱导电势导致高增益。基于photogating增强的光电探测器主要表现为器件响应率高,但是响应速度慢(少子寿命长)、动态范围窄,光电流—光功率具有非线性的依赖关系。所以高灵敏是以牺牲响应带宽为代价的。由于非线性的光电流-光功率依赖关系(I=Pα,0<α<1),器件的响应率会随着光辐照的减弱而指数上升。如何比较此类探测器的灵敏度目前还缺乏一个统一的测试标准。文章的最后一部分根据最新报导的三篇文献提出了广义的photogating,指出该种增益来源于光诱导电势对半导体沟道的调控,而非直接的半导体内部载流子产生,增益和带宽并没有严格的限制关系。比如可以用轻p掺的硅做光敏介质,通过Si/SiO2界面的能带弯曲产生的光生电势对石墨烯进行调控。该器件的增益带宽积可达到109Hz(Optica 2016, 3, 1066)。此类器件的出现为高性能新型低维探测器的设计提供了思路。

文章最后总结了基于photogating增益的低维光电探测器的增益带宽积,以109Hz为基线,清晰地呈现了photogating在低维探测体系中的重要性和应用于实际的潜力。该工作发表在Advance Science上(DOI: 10.1002/advs.201700323),为高性能低维探测器的研制和应用提供了参考。

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