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殷红教授课题组:基于非晶氮化硼用于极端环境使用的高性能日盲光电探测器

发布时间:2024-06-13浏览次数:

日盲光(200-280nm)光电探测器由于在太阳观测、环境监测、安全通信、军事和民用传感等领域的重要应用,逐渐受到研究者们的关注。其中绝大多数检测场景都面临着诸如高温,高电场和高辐射等极端环境。宽带隙(WBG)和超宽带隙(UWBG)半导体,由于其独特的特性而成为日盲光探测的候选材料,有望实现优越的探测性能。然而,合成大面积高质量的晶体材料仍然面临挑战,特别是考虑到制备成本和效率问题。

有鉴于此,吉林大学超硬材料国家重点实验室殷红教授课题组采用低温下(500℃)沉积的非晶氮化硼(a-BN)薄膜作为光敏材料,研制了高稳健性的日盲光电探测器。研究成果“High-performance solar-blind photodetector based on amorphous BN in harsh environment operations”正式发表于Appl. Phys. Lett. 124, 042102 (2024)。殷红教授为该论文通讯作者,博士生陈乐为该论文第一作者。

借助a-BN的超宽禁带(~6eV)、高带边吸收系数、低介电常数(ĸ~1–2),以及强的热/化学稳定性等优势,实现了在高温下以及高电场的极端环境下对日盲深紫外光优异的探测性能,包括高的响应率(R=0.56mA/W@20V)、极低的暗电流(~5pA)和良好的日盲光谱选择性(R222 nm/R295 nm>200R222 nm/R315 nm>500)等。更重要的是,在极端环境检测方面,基于a-BN的日盲光电探测器在500K的高温下实现了稳定且持续的响应,其响应率可达0.92mA/W,此外在200V的偏置下也能够获得高达3.42mA/W响应率的持续稳定响应。与通常所报道的高温日盲探测器有所不同,器件的响应率在接近400K以上时随温度的增加而出现增强的趋势。对探测器在高温下高响应的物理机制进行了分析与讨论,结果表明在不同温度区间范围内的光电流机制分别由电子-声子的相互作用(<350K)以及自困空穴向可移动空穴的转变(>350K)所主导。该研究展示了a-BN作为低成本、高性能日盲光电探测器件的潜力,为其进一步参与集成到新一代电子和光电器件中提供技术基础,有能力在具有挑战性的极端条件应用场景中发挥作用,以满足器件在苛刻的耐恶劣环境的应用需求。

殷红,吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室教授,博士生导师。长期从事宽禁带半导体材料与器件、功能纳米材料与应用开发等方面研究。近五年,作为项目负责人先后承担项目共计12项,包括国家自然科学基金重点项目1项、面上项目3项、省重大专项1项、省自然科学基金2项、央企横向课题2项、产业化专项2项,以通讯作者发表在Advanced Optical Materials, Applied Physics Letters, Journal of Membrane Science, Chemical Communications, Nanoscale, Journal of Alloys and CompoundsSCI期刊多篇。申报国家发明专利24项,已授权17项。

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图1. a-BN的表征。(a) B1s和N1s的XPS核心能谱;(b) FTIR光谱;a-BN和外延生长h-BN的 (c) 拉曼光谱;(d) XRD测量;(e) UV-Vis吸收光谱与相应的Tauc图(插图);(f) ln(a)与光子能量hv的关系。

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图2. a-BN的原子结构和表面形貌。(a) HRTEM图像和相应的FFT结果(插图);(b) a-BN/蓝宝石衬底界面的SEM横截面图;(c) a-BN薄膜表面的AFM图像。


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图3. a-BN日盲光电探测器的室温光探测性能。(a) 器件结构示意图;(b) 器件在不同波长下的光谱选择性I-V特性曲线;(c) 响应率随波长和电压变化的等值线图;(d) 器件在不同辐照波长下的I-t曲线;(e) 不同光功率密度下的I-t曲线;(f) 用幂律公式拟合光功率密度的光电流函数。

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图4. a-BN 光电探测器在恶劣条件下的光探测性能。(a)  222 nm日盲光照射下100次的开/关循环;(b) 器件在20 ~ 200V偏置下的I-t曲线;(c) 器件的响应率与偏置电压的关系;(d) 器件在300 ~ 500 K温度下工作的I-t曲线;(e) 器件的响应率与光电流以及(f)响应时间与工作温度的关系;(g) 衰减时间的Arrhenius图;(h) 温度为350K以下和350K以上的光电流机制。