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低功耗、高灵敏的Bi2O2Se光电导探测器

李丹阳 韩旭 徐光远 刘筱 赵枭钧 李庚伟 郝会颖 董敬敬 刘昊 邢杰

李丹阳, 韩旭, 徐光远, 刘筱, 赵枭钧, 李庚伟, 郝会颖, 董敬敬, 刘昊, 邢杰. 低功耗、高灵敏的Bi2O2Se光电导探测器. 物理学报, 2020, 69(24): 248502. doi: 10.7498/aps.69.20201044
引用本文: 李丹阳, 韩旭, 徐光远, 刘筱, 赵枭钧, 李庚伟, 郝会颖, 董敬敬, 刘昊, 邢杰. 低功耗、高灵敏的Bi2O2Se光电导探测器. 物理学报, 2020, 69(24): 248502. doi: 10.7498/aps.69.20201044
Li Dan-Yang, Han Xu, Xu Guang-Yuan, Liu Xiao, Zhao Xiao-Jun, Li Geng-Wei, Hao Hui-Ying, Dong Jing-Jing, Liu Hao, Xing Jie. Bi2O2Se photoconductive detector with low power consumption and high sensitivity. Acta Phys. Sin., 2020, 69(24): 248502. doi: 10.7498/aps.69.20201044
Citation: Li Dan-Yang, Han Xu, Xu Guang-Yuan, Liu Xiao, Zhao Xiao-Jun, Li Geng-Wei, Hao Hui-Ying, Dong Jing-Jing, Liu Hao, Xing Jie. Bi2O2Se photoconductive detector with low power consumption and high sensitivity. Acta Phys. Sin., 2020, 69(24): 248502. doi: 10.7498/aps.69.20201044

低功耗、高灵敏的Bi2O2Se光电导探测器

李丹阳, 韩旭, 徐光远, 刘筱, 赵枭钧, 李庚伟, 郝会颖, 董敬敬, 刘昊, 邢杰

Bi2O2Se photoconductive detector with low power consumption and high sensitivity

Li Dan-Yang, Han Xu, Xu Guang-Yuan, Liu Xiao, Zhao Xiao-Jun, Li Geng-Wei, Hao Hui-Ying, Dong Jing-Jing, Liu Hao, Xing Jie
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  • 窄带隙二维半导体材料Bi2O2Se由于其具有较高的载流子迁移率和优异的热学、化学稳定性, 在紫外-可见-近红外光谱区的光电子学领域有着广阔的应用前景. 本文通过化学气相沉积法合成了大面积高质量的Bi2O2Se单晶薄膜, 讨论了温度对薄膜形貌的影响规律, 并在此基础上制备了Bi2O2Se光电导探测器, 分别研究了Bi2O2Se在云母基片和氧化硅基片上的光电性能. 在532 nm光照下, 源漏电压仅为0.5 V时, 云母片上的Bi2O2Se薄膜的光电响应度和比探测率高达45800 A/W和2.65 × 1012 Jones (1 Jones = 1 cm·Hz1/2·W–1), 相应的光电增益超过105. 研究结果表明 Bi2O2Se在低功耗、高灵敏度的光电器件中具有优异的探测潜力.
    With the advent of graphene, atomically thin two-dimensional materials receive great attention in both science and technology. However, the characterization of zero-band gap of graphene hinders its applications in semiconductor logic and memory devices. To make up for the imperfection of graphene, one has made efforts to search for other two-dimensional layered materials. The Bi2O2Se is an emerging material with very high electron mobility, modest bandgap, and excellent thermal and chemical stability. In this work, high-quality Bi2O2Se thin films are synthesized through chemical vapor deposition. The effect of temperature on the morphology and size distribution of Bi2O2Se thin film are discussed in detail experimentally. Under an optimized experimental condition, the Bi2O2Se thin films with a lateral size of 100 μm are achieved. Interestingly, Bi2O2Se nanowires are obtained at a lower growth temperature (620–640 ℃). The photoelectric performances of Bi2O2Se on mica and silicon oxide substrate are examined based on a photoconductive mode. At a small bias of 0.5 V, the responsivity and specific detectivity of the rectangular Bi2O2Se thin film on the mica substrate reach 45800 A/W and 2.65 × 1012 Jones, respectively, and the corresponding photoelectric gain is greater than 105. The photoelectric performance of our device is comparable to the best results achieved by other research groups, which may be related to the higher quality and appropriate absorption thickness. The Bi2O2Se nanowire and Bi2O2Se thin film transferred to Si/SiO2 by a polystyrene-assisted method also exhibit a good photoresponse under the illumination of a 532 nm laser with a high optical power density (127.4 mW/cm2). The experimental results demonstrate that the Bi2O2Se has great potential applications in the optoelectronic devices with low power consumption and high sensitivity.
      PACS:
      85.60.Gz(Photodetectors (including infrared and CCD detectors))
      81.15.Gh(Chemical vapor deposition (including plasma-enhanced CVD, MOCVD, ALD, etc.))
      81.10.-h(Methods of crystal growth; physics and chemistry of crystal growth, crystal morphology, and orientation)
      通信作者: 李庚伟, ligw@cugb.edu.cn ; 邢杰, xingjie@cugb.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11974318)资助的课题
      Corresponding author: Li Geng-Wei, ligw@cugb.edu.cn ; Xing Jie, xingjie@cugb.edu.cn
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11974318)

    二维(two dimensional, 2D)材料由于其具有超薄的原子层厚度、可调谐的能带结构、超大的比表面积及丰富的物理化学性质, 在光电探测器、发光二极管、太阳能电池及各种柔性传感器件、能源、环境催化等领域得到了广泛的应用研究[1-6]. 最近, 2D层状材料Bi2O2Se引起了很多人的关注. Bi2O2Se具有四方晶系结构和I4/mmm的空间群对称性(a = b = 3.8, c = 12.16), 如图1(a)所示, Bi2O2Se的晶体结构由阳离子层$({\rm{B}}{{\rm{i}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}})_n^{2 n + }$和阴离子层$({\rm{Se}})_n^{2 n - }$交替堆叠而成, 层与层之间由相对较弱的静电力结合在一起, 层厚为0.61 nm[7-9]. 此外, Bi2O2Se具有更高的化学和热学稳定性, 非常优异的霍尔迁移率(1.9 K: 29000 cm2·V–1·s–1, 室温: 450 cm2·V–1·s–1). Bi2O2Se的带隙只有0.8 eV, 并且由于量子限域效应, 其带隙还会随着层厚的增加而减小[10,11]. Fu等[7]报道了厚度为8 nm的 Bi2O2Se光电晶体管, 在532 nm光激发, 栅极电压为–25 V时, 其响应度(responsivity, R)和比探测率(specific detectivity, D*)分别达到3.6 × 104 A/W和9 × 1013 Jones (1 Jones = 1 cm·Hz1/2·W–1). Tong等[12]报道的高灵敏宽光谱范围(360— 1800 nm)的 Bi2O2Se光电晶体管, 在405 nm处Vgs = 12 V时获得的响应度和比探测率分别为50055 A/W和8.2 × 1012 Jones, 且表现出32 μs的超快光电响应速度. 这些Bi2O2Se光电器件虽然具有非常高的光电灵敏度, 但是它们优秀的性能指标均是在一定的栅压下获得的. 特别是比探测率, 通过栅压调控沟道载流子浓度, 使场效应管处于截止态, 暗电流可以降低几个数量级, 从而获得较高的光电性能. 但栅压偏置会带来额外的能耗, 这将不利于Bi2O2Se在低功耗光电器件中的应用. Bi2O2Se光电器件在无门压调制下的工作也有报道, 例如Liu等[13]制备了金属-半导体-金属结构的Bi2O2Se平面光电探测器, 在没有栅压的条件下, 其最大光电响应度为6 A/W, 比探测率为1.3 × 108 Jones. Luo等[14]构建了PbSe胶体量子点(colloidal quantum dots, CQDs)敏化的Bi2O2Se光电探测器, 通过PbSe和Bi2O2Se之间形成II型能带补偿界面, 显著提高了器件的光电响应度, 在没有栅压下500 nm处的响应度达到了~103 A/W. 但是CQDs成本昂贵, 敏化工艺复杂, 并且含有重金属Pb, 特别是敏化后器件暗电流增加了1个数量级, 这些对于器件的应用来说都是不利的. 因此优化制备工艺, 提高薄膜本身的晶体质量, 进而提高器件在低能耗下的光电性能仍然是一项具有挑战性的工作.

    图 1  (a) 层状Bi2O2Se晶体结构示意图; (b) CVD法合成Bi2O2Se实验装置示意图; (c)—(e) 云母上Bi2O2Se薄膜不同放大倍数的光学照片; (f)云母上Bi2O2Se纳米线光学照片
    Fig. 1.  (a) Schematic diagram of the layered Bi2O2Se crystal structure; (b) schematic diagram of the CVD experimental setup for synthesis of Bi2O2Se film; (c)–(e) optical images of Bi2O2Se thin films grown on mica at different magnifications; (f) optical image of Bi2O2Se nanowires grown on mica.

    本文使用化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)法在云母上合成了大面积高质量的2D Bi2O2Se薄膜, 并在此基础上制备了光电导探测器. 室温下, 云母上的Bi2O2Se薄膜光电导探测器表现出优异的光电性能, 在没有栅压调控的条件下, 其响应度和比探测率分别高达45800 A/W和2.65 × 1012 Jones, 光增益为105613, 其结果可以和目前报道的最好器件性能相比拟[7,9,12,15].

    采用一步CVD法在云母上合成了Bi2O2Se薄膜. CVD装置是一个单温区的管式炉(OTF-1200X, 合肥科晶), 石英管外径为60 mm, 长为1.2 m. 实验装置如图1(b)所示, 首先将Bi2Se3(99.99%, Alfa Aesar)和Bi2O3粉末(99.999%, Alfa Aesar)装入石英舟中并置于石英管内, 其中Bi2O3位于管式炉中心高温区域, Bi2Se3位于石英管上游, 和中心相距6 cm, 将新剥离的云母片放置在下游, 距离Bi2O3 18—21 cm之间. 然后将石英管密封抽真空, 并用高纯度Ar气体冲洗, 以提供无氧环境, 实验过程中一直通Ar作为载气, 其恒定流速设置为50—100 sccm (1 sccm =1 mL/min). 具体生长过程为: 首先将管式炉升温至目标温度, 升温速率设置为10 ℃/min, 到达目标温度后保温~40 min. 生长结束后炉子自然冷却至室温, 开腔取样.

    采用PS辅助的非腐蚀性转移方法将Bi2O2Se薄膜转移到Si/SiO2衬底上. 首先将Si/SiO2基片依次在乙醇、异丙醇和去离子水中超声清洗 10 min并烘干备用. 然后通过匀胶机(SPIN-1200 D)将配置好的PS溶液在2000 r/min下旋涂在样品表面, 时间约为45 s, 并在自然环境下干燥10 min. 然后在去离子水(DI)的帮助下将PS 薄膜和Bi2O2Se一起从云母上剥离开, 同时将带有Bi2O2Se的PS 薄膜转移至 Si/SiO2衬底上, 分别在80 ℃下干燥10 min, 并在130 ℃的热板上加热30 min, 以改善Bi2O2Se与Si/SiO2衬底的接触. 最后将样品浸入到甲苯溶液中浸泡10 min以去除PS薄膜, 再浸入丙酮中去除有机残留物. 这样, 可以成功实现Bi2O2Se薄膜从云母基片到Si/SiO2基片上的转移.

    通过光学显微镜(Olymbus BX53 M)、原子力显微镜(Bruker Multimode 8)和显微共焦激光拉曼光谱仪(Reinshaw invia-Reflex)对Bi2O2Se进行形貌、结构表征. 然后通过紫外光刻技术和热蒸发镀膜设备在Bi2O2Se薄膜上制备金属电极, 具体过程如下: 1)通过紫外光刻技术制备电极图案. 首先将样品用去离子水进行清洗, 并在氮气气氛下烘干, 冷却后在样品上旋涂光刻胶(AZ6130), 转速和时间分别为4000 r/min和60 s, 然后放在烘箱中煎膜1 min, 将样品放到紫外光刻机中进行曝光, 约9 s. 最后将曝光后的样品置于显影液中显影1 min并用去离子水清洗, 这时掩膜版上的图形被成功转移到光刻胶薄膜上. 2)利用热蒸发镀膜设备(北京泰科诺科技有限公司, 高真空电阻蒸发镀膜机XHD-400)蒸镀电极, 采用Cr/Au(5 nm/50 nm)作为金属电极. 电极制备好后, 再用丙酮和无水乙醇洗去剩余的光刻胶, 最终完成器件制备. 本实验的光电测试采用探针台(Semishare)和Keithley 2634B源表完成, 光源采用功率可调的532 nm激光.

    通过CVD法在云母上合成了Bi2O2Se薄膜. 在实验中, Bi2Se3和Bi2O3粉末作为原料分别提供Bi, Se和O. 在CVD生长Bi2O2Se的过程中, 有两种可能的生长机制: 第一种, Bi2O3分子首先吸附在云母基片上并随之扩散, 然后不断与周围环境中的Bi2Se3分子反应生成Bi2O2Se薄膜; 第二种, Bi2O3和Bi2Se3在气相中首先反应生成Bi2O2Se团簇, 然后再吸附在衬底上, 形核生长. Tong等[12]在盛有Bi2O3粉末的小舟上倒扣了云母基片, 他们在云母片上获得了Bi2O2Se薄膜, 经过分析, 认为Bi2O3分子先在基片上成核, 再和环境中的Bi2Se3分子反应生成Bi2O2Se薄膜, 而Bi2O3粉末处的温度为550—630 ℃. Peng课题组[16]利用氧化铋薄膜硒化反应制备Bi2O2Se, 反应温度为500 ℃. 这些实验表明打断Bi—O键需要比较高的温度. 在我们的实验中(图1(b)), 云母基片位于石英管下游20 cm附近, 由于此处温度只有400—450 ℃, 该温度不足以提供氧化铋的硒化反应. 因此推测在我们的实验中更可能是第二种生长机制主导, 即在中心位置附近生成Bi2O2Se团簇再迁移到下游, 沉积在基片上. 与过渡金属硫属化合物中的范德瓦耳斯相互作用相比, Bi2O2Se层间静电相互作用较强, 这会导致Bi2O2Se更倾向于沿垂直方向生长[14,17], 所以需要选择合适的衬底来减少其垂直生长的趋势以制备超薄的、大面积的2D Bi2O2Se薄膜. 众所周知, 云母具有高的热稳定性和光滑的惰性表面, 原子在其表面迁移能垒很小. 并且云母的K+层和Bi2O2Se的Se2–层之间存在较强的静电相互作用, 促进了籽晶层Bi2O2Se沿云母表面生长[18]. 因此本文将新鲜剥离的云母片用于Bi2O2Se的生长. 在生长过程中, Bi2O2Se团簇在云母片上的成核位置是随机的, 从能量的角度来说, 它更易于在表面有缺陷或者台阶边缘等位置成核. 当第一层Bi2O2Se分子在云母上成核后, 由于Bi2O2Se表面无悬挂键, 缺少合适的吸附位点, 后续的分子更倾向于吸附在已有晶核的边缘, 因而Bi2O2Se薄膜将不断沿横向方向生长. 当然, 随着面积的增加, 表面能也在不断升高, 最后导致横向生长结束. 图1(c)(e)为不同倍率下生长在云母片上的Bi2O2Se薄膜的光学图像. 可以看出Bi2O2Se大小分布在几十微米到150 μm之间. 由图1(d)图1(e)可以清楚地看到Bi2O2Se呈现规则的正方形或矩形, 通过精确调整生长参数(如生长温度、载气流速和生长时间等), 可以获得超过100 μm的大面积的Bi2O2Se薄膜. 此外, 当生长温度相对较低(如620—640 ℃)时, 分子扩散率较低, 管内反应物分子浓度较低, 此时生长过程以动力学过程为主, 在这种情况下, 云母片上Bi2O2Se更容易沿一维方向生长, 长成纳米线的形貌[19,20], 如图1(f)所示.

    管式炉的温度对Bi2O2Se生长非常重要, 控制管式炉温度分别为640, 660, 680 ℃, 在三种温度下生长的样品光学照片如图2(a)(c)所示. 从3幅图可以清楚地看到在这3个温度下都可以获得矩形的Bi2O2Se薄膜, 但是它们的分布密度和大小十分不同. 在温度较低和较高的情况下, 薄膜成核点数量较多, 但是尺寸普遍较小, 而在660 ℃下薄膜成核点数量很少, 但是每个单畴的Bi2O2Se的尺寸较大. 图2(d)为Bi2O2Se尺寸分布图, 可以更直观地看到纳米片尺寸随温度的变化. 随着温度的升高, Bi2O2Se薄膜尺寸呈现出先增加后减小的变化趋势. 当衬底温度相对较低时, 由于临界形核自由能低, 前驱体容易形核, 形核密度较大, 但是受分子扩散速率较低的影响, 薄膜尺寸较小. 当进一步升高温度时, 临界核半径和成核自由能势垒均增大, 导致成核困难, 成核密度相应降低, 同时分子热运动动能增加, 促进了前驱体分子的表面扩散和互相反应, 因此Bi2O2Se单畴面积较大. 然而, 当继续升高温度超过某一临界值时, 过高的温度会造成分子热动能过大, 分子运动比较活跃, 造成前驱体分子容易解吸附, 最终导致Bi2O2Se尺寸又变小.

    图 2  生长温度对Bi2O2Se薄膜形貌及尺寸分布的影响 (a)—(c) 不同生长温度下云母上Bi2O2Se薄膜的光学照片; (d) 不同生长温度下Bi2O2Se的尺寸分布图, 不同颜色代表不同尺寸范围的Bi2O2Se
    Fig. 2.  Effect of growth temperature on the morphology and the size distribution of Bi2O2Se films: (a)–(c) Optical images of Bi2O2Se thin films grown at 640, 660, 680 ℃, respectively; (d) size distribution of Bi2O2Se films prepared at different growth temperatures. Different color denotes different size range.

    Bi2O2Se薄膜的原子力显微镜图像如图3(a)所示, 可以看到其厚度约为20 nm, 根据单层的理论厚度0.61 nm[9], 20 nm约等于32层的厚度. 图3(b)是在室温532 nm激光激发下Bi2O2Se的拉曼光谱, 其光学声子振动模式A1g特征峰位于157.7 cm–1处, A1g模式是由于Bi原子沿晶体z轴的面外振动引起的, 原子振动模式如图3(b)插图所示[21,22].

    图 3  (a) Bi2O2Se薄膜的原子力显微镜照片; (b) Bi2O2Se薄膜的拉曼光谱, 插图代表A1g振动模式中各原子间的相对运动
    Fig. 3.  (a) Atomic force microscope image of a typical Bi2O2Se thin film with a thickness of 20 nm; (b) Raman spectrum of Bi2O2Se thin film. The inset shows the relative motion of atoms in the A1g mode.

    在云母片上原位制备了Bi2O2Se光电导探测器, 图4(a)为器件的光学照片. 器件的电流-电压关系曲线如图4(b)所示, 其线性行为表明金属电极和Bi2O2Se之间形成了良好的欧姆接触. 器件在0.5 V偏压下暗电流只有10 nA, 功耗只有5 nW. 当用波长为532 nm的激光辐照, 光功率密度为0.064 mW/cm2时, 光电流达到0.24 μA, 此时光暗电流比为24. 图4(b)中插图为器件时间响应的光波图, 可以看出器件具有很好的光开关特性, 器件的上升时间和下降时间差不多, 约为0.2 s. 图4(c)为光电流(Iph)随光功率密度(P)变化的关系曲线, 可以通过$ I_{\rm ph} = A \times P^{\alpha} $公式进行拟合, 其中A是比例系数, α是拟合参数. 从图中可以看到, α值接近于1, 说明光电流主要是由于光电导效应引起的, 同时也表明我们制备的Bi2O2Se薄膜晶体质量较高, 缺陷较少. 可以看到当偏压为0.5 V时, 随着光功率密度从0.013 mW/cm2增加到0.064 mW/cm2, 光电流从0.07 μA增加到了0.23 μA. 光电流响应度和比探测率是评定光电探测器性能的重要参数, 假设散粒噪声是暗电流的主要来源, 其表达式为

    图 4  (a)云母片上Bi2O2Se光电导器件的光学图像; (b)不同光功率密度下Bi2O2Se 器件的Ids-Vds曲线, 插图为器件时间响应的方波图; (c)不同偏置电压条件下, 光电流(Iph)与光功率密度的关系; (d)不同偏置电压条件下, 光增益与光功率密度的关系
    Fig. 4.  (a) Optical image of a Bi2O2Se photoconductive detector on mica; (b) Ids-Vds curves of Bi2O2Se device under illumination by laser with different optical powers; (c) light power dependence of photocurrent (Iph) under different bias; (d) relationship between light gain and light power under different bias.

    $ R = {I_{{\rm{ph}}}}/PS, $

    (1)

    $ D^* = R{S^{1/2}}/{(2e{I_{{\rm{dark}}}})^{1/2}}, $

    (2)

    其中, R为光电响应度, P是入射光功率密度, S是有效照明面积, D*为比探测率, e为单位电量, Idark为暗电流. 由(1)式和(2)式计算可得在入射光功率为0.013 mW/cm2, 偏置电压为0.5 V下, 响应度为45800 A/W, 比探测率达到2.65 × 1012 Jones. Liu等[13]和Luo等[14]报道的Bi2O2Se光电探测器(厚度分别为9.8 nm和6.2 nm)在500 nm处获得的响应度分别约为2.6 A/W和103 A/W. Wu等[15]制备了2D Bi2O2Se阵列集成光电探测器(厚度为5 nm), 在532 nm处光电响应度为2000 A/W. 相比较, 我们的探测器指标优于很多其他研究组报道的结果[9,13-15], 这可能和我们生长的Bi2O2Se薄膜具有比较高的晶体质量和比较合适的厚度(20 nm)有关. 因为与单层或少层薄膜相比, 多层薄膜态密度远高于单层样品, 对光的绝对吸收量更大, 可以产生更高密度的光电流.

    光增益(G)是表征光电器件性能的另一个重要参数, 它定义为每个被吸收的入射光子可收集到的电子数. 它可以通过(3)式计算

    $ G = Rhc/e\lambda , $

    (3)

    其中, h为普朗克常数, c为光速, λ为入射光波长. 由(3)式计算出的G值如图4(d)所示, 在入射光功率为0.013 mW/cm2, 偏置电压为0.5 V时, 最大光增益高达105613. 对于光电导探测器来说, 光增益还可以表示为G = τ/τt, 式中τ为光生载流子寿命, 而τt为沟道载流子的渡越时间. 这里τt = L/μE = L2/μU, 其中, L为两电极间距, μ为迁移率, E为两极间电场强度, U为外加电压. 对于本文器件来说, 高增益意味着载流子寿命长, 电子迁移率高, 这再次说明我们制备的Bi2O2Se薄膜质量较高, 无序、缺陷态导致的复合中心较少. 从图4(d)可知, 光增益随着偏压的增加而增加, 但随着光功率密度从0.013 mW/cm2增加到0.064 mW/cm2, 光增益降低, 这是因为随着光功率密度的增加, 光生载流子的数目也随之增加, 导致载流子复合率升高, 寿命变短. 与其他2D半导体材料光电器件相比(如表1), 我们的Bi2O2Se光电探测器在光电灵敏度和比探测率方面均表现出了优异的性能.

    表 1  Bi2O2Se与其他2D半导体光电晶体管性能比较(ME, 机械剥离)
    Table 1.  Comparison of the performance of Bi2O2Se with other 2D semiconductor phototransistors (ME represents mechanical exfoliation method).
    MaterialsFabrication methodResponsivity/A·W–1Detectivity/JonesRise time/msReference
    MoS2ME4341011120[23]
    ReS2CVD12081010[24]
    SnS2CVD167100[25]
    SnSe2CVD1000101014.5[26]
    In2Se3ME5910110.18[27]
    GrapheneCVD0.7310130.32[28]
    BPME4.8 × 10–3[29]
    Bi2O2SeCVD458001012200This work
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    我们还进一步研究了云母基片上Bi2O2Se纳米线的光电行为. 图5(a)为器件在暗态和不同光功率照明下的Ids-Vds特性, 其插图为Bi2O2Se纳米线器件的光学照片. 可看出Ids-Vds曲线呈现非常好的线性关系, 表明金属电极和材料之间为欧姆接触, 在光功率密度为636.9 mW/cm2, 偏置电压为1 V时, 光电流达到了65.3 nA, 光暗比达到102. 在光功率密度为127.4 mW/cm2和偏压为1 V时, RD*最大值分别为0.071 A/W和1.63 × 108 Jones (图5(b)). 与前面矩形的Bi2O2Se器件相比, Bi2O2Se纳米线光电探测器的RD*要小很多, 这是因为该器件沟道长度为50 μm, 约为图4中器件沟道长度(5 μm)的10倍, 在相同偏压下, 电场强度将减弱为原来的1/10, 不利于光生载流子的收集. 另一个更重要的原因是由于我们实验中所用光源光功率密度较大(光功率密度比前面大了2000倍, 没有经过滤光片衰减), 这时光生载流子寿命较短, 导致光增益下降, 灵敏度和比探测率降低.

    图 5  (a) 不同光功率下Bi2O2Se纳米线光电探测器的Ids-Vds曲线, 插图为器件光学图像; (b) 在不同入射光功率密度下器件的响应度和比探测率
    Fig. 5.  (a) Ids-Vds curves of Bi2O2Se nanowire photodetector on mica under different light powers. Inset is an optical image of the device. (b) Responsivity and specific detectivity of the device at different light powers.

    为了和半导体工艺相兼容, 将云母基片上生长的矩形Bi2O2Se薄膜转移到Si/SiO2衬底上, 评估转移后Bi2O2Se的光电性能. 图6(a)为Si/SiO2衬底上Bi2O2Se光电器件结构示意图, 在暗态和不同光功率的532 nm激光辐照下, 器件的电流-电压数据如图6(b)所示, 在Vds = –1 V时, 暗电流低至2.4 nA, 并且在636.9 mW/cm2光功率密度下光暗比达到103. 当入射光功率为636.9 mW/cm2, 偏置电压为–1 V时, 其光电流可以达到14.4 μA. 从图6(c)可以看出光电流随光功率的增加而增加, 而光增益却与之相反, 在Vds = 1 V, 光功率为127.4 mW/cm2时, G值达到127. 图6(d)为器件在不同光功率密度下获得的光响应度和比探测率, 可以看到响应度和比探测率均随光功率密度的增大而减小. 在入射光功率密度为127.4 mW/cm2, 偏置电压为1 V时, 响应度达到55.1 A/W, 比探测率高达1.82 × 1010 Jones, 这里响应度仍远远高于商用硅光电器件的响应度0.78 A/W[30].

    图 6  (a) Si/SiO2衬底上的Bi2O2Se器件示意图; (b) 不同光功率下Bi2O2Se探测器的Ids-Vds行为, 插图为器件的光学图像; (c) Iph、光增益与光源功率密度的关系; (d) Bi2O2Se探测器的响应度和比探测率对光源功率密度的依赖关系
    Fig. 6.  (a) Schematic diagram of the Bi2O2Se photodetector on a Si/SiO2 substrate; (b) Ids-Vds of Bi2O2Se detector under different light powers, the inset is an optical image of the device; (c) under different biases, the relationship between photocurrent, optical gain and light intensity; (d) light power dependence of responsivity and specific detectivity of the Bi2O2Se detector.

    本文通过CVD法成功制备了大面积高质量的Bi2O2Se薄膜, 在660 ℃真空条件下薄膜横向尺寸可达100 μm, 且在温度较低(620—640 ℃)时获得了Bi2O2Se纳米线. 基于云母基片上Bi2O2Se的光电导探测器在入射光功率为0.013 mW/cm2、偏置电压为0.5 V时, 光电响应度、比探测率和光增益分别达到45800 A/W, 2.65 × 1012 Jones和105613. 这些指标优于很多其他2D材料光电器件, 并且可以和最好的Bi2O2Se器件结果相比拟. Bi2O2Se纳米线和转移到Si/SiO2上的Bi2O2Se薄膜在高光功率密度下也表现出了优秀的光电探测品质. 由于我们的光电器件是一个基于光电导机制的两端器件, 器件结构简单, 易于与半导体平面工艺相兼容, 因此在未来的低功耗、高灵敏度的光电子器件领域具有广阔发展前景.

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    其他类型引用(3)

  • 图 1  (a) 层状Bi2O2Se晶体结构示意图; (b) CVD法合成Bi2O2Se实验装置示意图; (c)—(e) 云母上Bi2O2Se薄膜不同放大倍数的光学照片; (f)云母上Bi2O2Se纳米线光学照片

    Fig. 1.  (a) Schematic diagram of the layered Bi2O2Se crystal structure; (b) schematic diagram of the CVD experimental setup for synthesis of Bi2O2Se film; (c)–(e) optical images of Bi2O2Se thin films grown on mica at different magnifications; (f) optical image of Bi2O2Se nanowires grown on mica.

    图 2  生长温度对Bi2O2Se薄膜形貌及尺寸分布的影响 (a)—(c) 不同生长温度下云母上Bi2O2Se薄膜的光学照片; (d) 不同生长温度下Bi2O2Se的尺寸分布图, 不同颜色代表不同尺寸范围的Bi2O2Se

    Fig. 2.  Effect of growth temperature on the morphology and the size distribution of Bi2O2Se films: (a)–(c) Optical images of Bi2O2Se thin films grown at 640, 660, 680 ℃, respectively; (d) size distribution of Bi2O2Se films prepared at different growth temperatures. Different color denotes different size range.

    图 3  (a) Bi2O2Se薄膜的原子力显微镜照片; (b) Bi2O2Se薄膜的拉曼光谱, 插图代表A1g振动模式中各原子间的相对运动

    Fig. 3.  (a) Atomic force microscope image of a typical Bi2O2Se thin film with a thickness of 20 nm; (b) Raman spectrum of Bi2O2Se thin film. The inset shows the relative motion of atoms in the A1g mode.

    图 4  (a)云母片上Bi2O2Se光电导器件的光学图像; (b)不同光功率密度下Bi2O2Se 器件的Ids-Vds曲线, 插图为器件时间响应的方波图; (c)不同偏置电压条件下, 光电流(Iph)与光功率密度的关系; (d)不同偏置电压条件下, 光增益与光功率密度的关系

    Fig. 4.  (a) Optical image of a Bi2O2Se photoconductive detector on mica; (b) Ids-Vds curves of Bi2O2Se device under illumination by laser with different optical powers; (c) light power dependence of photocurrent (Iph) under different bias; (d) relationship between light gain and light power under different bias.

    图 5  (a) 不同光功率下Bi2O2Se纳米线光电探测器的Ids-Vds曲线, 插图为器件光学图像; (b) 在不同入射光功率密度下器件的响应度和比探测率

    Fig. 5.  (a) Ids-Vds curves of Bi2O2Se nanowire photodetector on mica under different light powers. Inset is an optical image of the device. (b) Responsivity and specific detectivity of the device at different light powers.

    图 6  (a) Si/SiO2衬底上的Bi2O2Se器件示意图; (b) 不同光功率下Bi2O2Se探测器的Ids-Vds行为, 插图为器件的光学图像; (c) Iph、光增益与光源功率密度的关系; (d) Bi2O2Se探测器的响应度和比探测率对光源功率密度的依赖关系

    Fig. 6.  (a) Schematic diagram of the Bi2O2Se photodetector on a Si/SiO2 substrate; (b) Ids-Vds of Bi2O2Se detector under different light powers, the inset is an optical image of the device; (c) under different biases, the relationship between photocurrent, optical gain and light intensity; (d) light power dependence of responsivity and specific detectivity of the Bi2O2Se detector.

    表 1  Bi2O2Se与其他2D半导体光电晶体管性能比较(ME, 机械剥离)

    Table 1.  Comparison of the performance of Bi2O2Se with other 2D semiconductor phototransistors (ME represents mechanical exfoliation method).

    MaterialsFabrication methodResponsivity/A·W–1Detectivity/JonesRise time/msReference
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    In2Se3ME5910110.18[27]
    GrapheneCVD0.7310130.32[28]
    BPME4.8 × 10–3[29]
    Bi2O2SeCVD458001012200This work
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  • 期刊类型引用(1)

    1. 安志林,宋京红,孙在春,梅炳初. 二维硒氧化铋材料的制备方法研究进展. 材料科学与工艺. 2024(05): 12-25 . 百度学术

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-02
  • 修回日期:  2020-08-28
  • 上网日期:  2020-12-10
  • 刊出日期:  2020-12-20

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