方晓生:集成晶格匹配Ⅱ型Se/n-Si异质结基高性能硅兼容大面积紫外-可见宽带光电探测器

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光电探测器是将光讯号转变成电讯号的光电器件，被广泛应用于成像、光通讯、工业安全与军事等各方面。构筑具有高灵敏度、宽光谱响应（或特定波段响应）、高响应速度的光电探测器是研究的重要方向之一。其中, 紫外-可见光宽带光电探测器在照片成像、频谱分析、环境监测、光谱学和可见光通信等方面显示出特殊的潜力。紫外-可见光宽带光电探测器通常基于具有适当的光响应区域, 指的是适当的带隙约为1.7 eV的半导体。

Sb2S3、ZrS3、CdS、CdSe、石墨烯氧化物和钙钛矿等多种具有适当带隙的材料得到了广泛的研究用于紫外可见光检测器。作为一个稳定的合适材料，元素硒由于其优良的性能得到了越来越多的关注。除了其适当的带隙（约1.7 eV），硒具有很高的抗氧化性和抗潮湿性, 超过其他具有类似带隙的半导体, 如金属硫化物, 金属硒和钙钛矿。此外，其适度的熔点有利于气相制造高质量的晶体。此外, 在光照后, 硒的电导率发生了显著变化, 许多金属半导体金属 (MSM) 探测器都是基于硒材料开发的。然而, 这些 MSM 型器件具有硒材料的暗电阻, 限制了获得高开/关比。

近日复旦大学方晓生教授课题组在Nano Letters上发表了题为“High-performance Silicon-compatible Large-area UV-to-visible Broadband Photodetector Based on Integrated Lattice-matched type II Se/n-Si Heterojunctions”的研究论文。文章提出并开发了一种金诱导，NH4Cl辅助气相合成的制备路线，以在晶格匹配（111）晶面取向的硅衬底上形成垂直对准的亚微米Se晶体，基于此构建了高性能的大面积硅兼容光电探测器。由于能带结构和强不对称耗尽区，制备的Se / Si器件在IR区域之前保持与硒器件类似的截止波长，以及在紫外-可见光波段内表现出高性能宽带光响应。大面积光电探测器在-2 V偏压下保持非常低的漏电流，并且在500 nm处具有62 nA较高的光电流，同时具有高达103~104的开/关比。当取消偏置电压时可以清楚地观察到光响应。脉冲响应精确地提供了较高的响应速度（τrise+τfall~1.975ms），超过当前文献报告中最快的基于Se的光电探测器。其增强的光电特性和自力光响应主要来源于集成的高质量，具有晶格匹配和II型能带匹配的Se / n-Si p-n异质结。