Advanced Materials: 基于4H-SiC光诱导动态肖特基效应和热释电光电子学效应的光电探测与成像

研究背景:碳化硅(SiC)作为一种第三代半导体材料,其具有宽带隙、高电子饱和漂移速度、以及高稳定性等优良性能,成为全球各国竞相发展的战略材料,尤其在紫外光电探测领域该材料展现出明显的性能优势。尽管基于碳化硅的紫外光电探测器种类繁多,但大多制备工艺复杂、成本较高且器件体积较大缺乏灵活性,普遍用于功能较为单一的基础传感,很难实现更为丰富且高效的信息传输。此外,紫外光电探测需要器件具有较长的可持续工作时间,外接电源或传统电池将对器件的运行及移动带来不便。利用材料本身的性能实现自供电技术的突破,即从需要探测的光信号本身而不是外部电源或传统电池中获取能量,为设备独立可持续运行提供了新的手段。

文章概述:中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、朱来攀副研究员团队报道了一种基于n型4H-SiC具有光路成像及信息传输功能的高性能光电探测装置。其中,首次在4H-SiC芯片中发现的光致动态肖特基效应及热释电光电子学效应为实现多功能光电传感提供了理论保障。该工作通过巧妙的结构设计,将4H-SiC芯片夹在两个由“肖特基+欧姆接触”协同调制作用下的反向势垒之间。与单独的欧姆调制相比,器件的响应率提高了近10倍,同时,氮元素的掺杂进一步破坏晶体结构的对称性,有益于利用热释电光电子学效应极大程度地优化探测器的响应速度和信号强度。同时,该光电探测器对光斑坐标很敏感,使得厘米级的器件能够成为便捷、高效且具有定位及光路成像功能的多功能器件。此外,通过对芯片不同位置进行赋值编码,便可实现利用不可见光的光斑移动完成对通讯信息的加密传输。这项工作不仅对第三代半导体基础物理理论发展具有重要意义,并且在大规模商业化应用中展现出一定的发展潜力。

图文解读:

图1.自驱动4H-SiC 光电探测器的结构与表征。(a) 4H-SiC光电探测器的四种电极连接方式示意图。(b、c) 4H-SiC金刚石刀切和激光切割的截面SEM图像,上插图:对应的切割方法示意图,下插图:对应的TEM衍射图。(d) 4H-SiC的XRD图谱。(e、f)金刚石刀切割和激光切割方法下对应截面的拉曼光谱。

图2. 自驱动4H-SiC光电探测器的基本电学性能测试。(a)肖特基接触样品的I-V曲线。(b)肖特基接触样品的光电响应。(c)欧姆接触样品的I-V曲线,插图:原点处阶跃曲线的放大图。(d)欧姆接触样品的光电响应。(e)“肖特基+欧姆”接触样品的I-V曲线。(f)“肖特基+欧姆”接触样品的光电响应。插图:功率密度为23.44mW/cm2下的响应信号放大图和响应时间提取。

图3. 自驱动4H-SiC光电探测器的响应性能。(a)不同表面电极在“肖特基+欧姆接触”条件下的全区域光电响应数据提取。插图:对角线数据提取路径(左),放大的反向信号峰形(右)。(b)在光照条件下,不同表面产生的极化电荷引起热释电-光电子效应输出信号的示意图。(c)同一表面电极在“肖特基+欧姆接触”条件下的全区域光电响应数据提取。插图:对角线数据提取路径(左),放大的反向信号峰形(右)。(d)在同一表面产生的极化电荷引起热释电-光电子效应输出信号的示意图。(e)两组电极组合分布下的全区域信号响应强度分布图。(f)在不同温度和气氛环境下的稳定性试验示意图。

图4. 自驱动4H-SiC光电探测器的应用。(a)在应用过程中,左上、右下电极组合产生的光电响应。插图:与组1对应的电极位置分布(左)和光斑的移动路径(右)。(b)在电极组合组1下由激光运动形成的光路动态成像。(c)左下、右上电极组合产生的光电响应。插图:与组2对应的电极位置分布(左)和光斑的移动路径(右)。(d)在电极组合组2下由激光运动形成的光路动态成像。(e)该设备的工作过程和应用场景示意图。

图5. 器件工作原理。(a)“肖特基+欧姆”接触在不同光照条件下的能带变化。a1:激光在碳化硅晶体中散射示意图;a2:光照后能带变化示意图;a3:不同位置光照对应的能带变化示意图。(b-d)(b)肖特基接触、(c)欧姆接触和(d)“肖特基+欧姆”接触下的自驱动4H-SiC光电探测器和等效电路图和能带变化示意图。

论文信息:

Highly sensitive photoelectric detection and imaging enhanced by pyro-phototronic effect based on a photoinduced dynamic Schottky effect in 4H-SiC

Yueming Zhang, Yi-Chi Wang, Longfei Wang, Laipan Zhu*, Zhong Lin Wang*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202204363

链接:https://doi.org/10.1002/adma.202204363