探究无机材料MSM-PDs的应用前景与性能特点

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：2016年，Aldalbahi等人基于激光等离子体沉积系统制备了高质量的SiC薄膜，该器件在300℃高温下响应与室温下相比几乎没有变化，这说明SiC MSM-PDs可以在较为恶劣的环境下工作［326］。2016年，Ramasamy等人介绍了一种基于CsPbX3量子点的MSM-PDs［329］，器件的开关电流比高达105。近年来，基于Ga2O3MSM-PDs也不断被报道。如2007年，Kokubun等人报道了一种利用溶胶凝胶法制备的Ga2O3MSM-PDs［337］，其中Ga2O3多晶薄膜是在600℃以上的温度退火形成的。

除了前文所综述到的一些常见材料外，人们对利用其他无机半导体材料制作的MSM光电探测器也展开了一定的研究，其中包括SiC［189，322-327］、无机钙钛矿［191，328-330］、TiO2［190，331-334］、Ga2O3［335-339］、石墨烯［340-344］、MoS2［345-349］等。

SiC是一种宽带隙半导体材料，具有热导率高、电子饱和漂移速率大、化学稳定性好等优点［268，350］，因而可用于制作高温、高频、抗辐射、大功率紫外光电探测器［189，351］。并且，SiC材料低的缺陷态密度使其非常适合制备较大面积的探测器阵列［322］。此外，与半导体材料GaN、AlN等相比，SiC材料有一个独特的性质就是可以用热氧化法生成高品质氧化层SiO2［352］，与硅工艺有较好兼容性。2004年，吴正云等人采用镍作为肖特基接触电极，制备了MSM4H-SiC紫外光电探测器。该探测器有较小暗电流，在15V偏压下，漏电流密度约为70nA／cm2，其光电流比暗电流高约2个数量级［323］。2012年，Lien等人［189］利用Al掺杂的4H-SiC薄膜制备了MSM-PDs，在25℃下其明暗电流比高达105量级，当温度升高至450℃时，明暗电流比降为1.62，然而器件的上升沿／下降沿时间受温度影响不大。2016年，Aldalbahi等人基于激光等离子体沉积系统制备了高质量的SiC薄膜，该器件在300℃高温下响应与室温下相比几乎没有变化，这说明SiC MSM-PDs可以在较为恶劣的环境下工作［326］。

钙钛矿材料具有理想的直接带隙、高的光吸收系数、高载流子迁移率、平衡的载流子传输距离［328］，是一种非常有潜力的光电材料。基于有机无机杂化钙钛矿的光电探测器被广泛研究［353，354］，然而基于纯无机钙钛矿的光电探测器的报道却十分罕见。2013年，Zhou等人制备了具有高探测率的SrTiO3MSM-PDs，研究了不同的金属电极对器件光电性能的影响［191］。当金属电极为银时，与SrTiO3有一个较高的肖特基势垒，器件的暗电流低至2.215×10-11A，探测率也达1012cm·Hz1／2／W。此外，瞬态光响应测试表明器件拥有一个较快的响应速度，上升时间为360ps。近期，出现了少量关于无机钙钛矿量子点探测器的报道。2016年，Ramasamy等人介绍了一种基于CsPbX3（X为卤素）量子点的MSM-PDs［329］，器件的开关电流比高达105。2017年，Liu等人报道的类似器件在1.5V偏压下，器件响应率高达34A／W，相应的EQE将近10000%［328］。

TiO2也是一种宽带隙的半导体材料，广泛应用于染料敏化太阳能电池和光催化领域，具有高的紫外光敏性［332，335］，基于TiO2材料的紫外光电探测器也引起了人们的关注。如2013年，Callskan等人在蓝宝石基底上用磁控溅射的方法制备了Pt／TiO2／Pt结构的光电探测器并研究了其性能［331］，在5V偏压下器件的暗电流密度为1.57×10-9A／cm2，50V偏压下响应率为1.73A／W，光电流的上升沿时间和下降沿时间分别为7s和3s。2015年，GarcíadeArquer等人报道了一种基于表面等离激元的可见-近红外热电子光电探测器［190］，通过调整表面等离激元的激发使入射光场集中在金属与半导体的界面处，从而提高了载流子的产生效率。该器件在640nm光照射、3V反向偏压下，响应率达70mA／W，相应的内量子效率为27%。

氧化镓（Ga2O3）作为一种新型半导体材料，禁带宽度大、无须考虑掺杂问题，容易获得较好的晶体结构，物理、化学性质稳定，被认为是制备深紫外光电探测器最为理想的材料之一［336，339］。尤其，单斜晶系的β-Ga2O3具有直接宽禁带，光学禁带宽度为4.6～4.9eV，对应波长250～275nm，具有高熔点、高热导率、高临界击穿电压等特性，在功率电子器件、LED、日盲深紫外探测器等领域具有广泛的研究价值和应用潜力。近年来，基于Ga2O3MSM-PDs也不断被报道。如2007年，Kokubun等人报道了一种利用溶胶凝胶法制备的Ga2O3MSM-PDs［337］，其中Ga2O3多晶薄膜是在600℃以上的温度退火形成的。当热处理温度为1000℃时，器件有最大的光电响应率，约为8×10-5A／W。2015年，Sheng等人在蓝宝石基底上制备了β-Ga2O3MSM-PDs［338］，并研究了在氧气、氮气以及真空环境下对β-Ga2O3MSM-PDs进行热退火处理对器件性能的影响，他们发现真空环境下热退火的器件表现了最好的光电特性。在10V偏压下，器件明暗电流比约为103数量级，但是在氧气环境下热退火的器件展现了最低的暗电流约为10-11A。

石墨烯是一种零带隙的二维半导体材料，也是目前已发现电阻率最小的材料，具有优异的光电性能，自2004年被发现以来便以其优异的性能而引起了广泛关注［356］。此外，石墨烯可吸收较大波长范围的光，具有极高的载流子迁移率，成为超快光电探测的理想材料［357］。2011年，Urich等人报道的金属-石墨烯-金属光电探测器［341］，该器件有一个很快的响应时间2.1ps，相应的带宽为262GHz。2017年，Xu等人报道了一种石墨烯异质结构的MSM-PDs［187］，器件表现了一个较低的暗电流，1V偏压下，暗电流密度约为10-7A／cm2数量级，峰值光响应为0.43A／W。

MoS2也是一种研究较为广泛的二维半导体材料，具有良好的光学性能和优异的机械性能，这些特点使MoS2在光电子器件及柔性可穿戴器件方面备受关注。例如，2013年，Tsai等人报道了基于多层MoS2薄膜的MSM-PDs［346］，器件在10V偏压下，光电导增益高达13.3，相应的响应率为0.57A／W。该器件的上升时间约为70μs，下降时间约为110μs。此外，即使在高达200℃的环境下，该器件的明暗电流比也超过10。

探究无机材料MSM-PDs的应用前景与性能特点

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