王中林院士ACS Nano：压电光电子学效应实现Si基近红外探测器光响应度提高数百倍

【引言】

近红外波段光探测由于其在生物成像、通信、环境监测、医疗、光谱学等方面的应用而引起了广泛的关注。在过去几十年中，基于单晶InGaAs、PbS量子点、二维层状材料、有机半导体、光电倍增管等光探测器显示了良好的红外光响应性能，但它们大多具有较高的成本、复杂的制造工艺和严格的工作环境等限制。此外，同时优化光响应度和响应速度仍然是提升光探测器性能面临的挑战。

作为当今光电子器件最重要的基板之一，硅通过与其他半导体材料相结合在光电探测领域展示出巨大的潜力。硅基光探测器具有宽的光谱响应以及良好的兼容性。尽管硅的吸收波长覆盖了紫外到近红外的宽光谱范围，但是由于在近红外波段低的光子激发能和较弱的光吸收性，大多数现有的硅基光探测器主要应用在可见光谱范围内（低于800nm的波长）。因此，提高硅基光探测器在近红外波段的光响应性能具有重要意义。

【成果简介】

近日，在佐治亚理工学院教授、中科院北京纳米能源与系统研究所所长王中林院士的指导下，戴叶婧副教授、王幸福博士和彭文博博士等研究人员首次将压电光电子效应引入到硅基近红外探测器中，在硅基底上通过水热合成压电半导体硫化镉纳米线获得了Si/CdS异质结光探测器，利用压电半导体硫化镉的压电效应来调控非压电半导体材料硅的光电性能。实验结果发现在压电光电子学效应的调控下，光响应度从79.7 mA/W增加到19.4 A/W，且其值最大可增加366倍，优于目前商用的硅基近红外光探测器；器件探测率也提高了两个数量级，其峰值可达到1.8´10¹²cm Hz^1/2/W。同时，响应时间上升沿和下降沿时间分别从63 ms和36 ms降低到9.7 ms 和8.6 ms。相关研究成果以“Largely Improved Near-Infrared Silicon-Photosensing by the Piezo-Phototronic Effect“为题发表在2017年7月的ACS Nano上。

【图文导读】

图1：器件的结构、表征和性能

(a) p-Si/n-CdS纳米线异质结近红外光探测器的结构示意图，其中硅与CdS的−c端形成pn结。

(b,c) 腐蚀后的硅衬底形貌(b)以及在硅衬底上生长的硫化镉纳米线(c)。比例尺为20 mm。

(d,e) 硫化镉纳米线的高分辨TEM图(d)以及相应的选区电子衍射图(e)。其中图d的比例尺为5 nm。

(f) 硫化镉纳米线的能谱图。

(g) 生长在FTO/玻璃基板上的硫化镉纳米线的透射光谱。

(h) 在不同功率密度光照下的电流电压曲线。插图为在2V正向偏压下光电流随功率密度的变化。

图2：压电光电子学效应对器件光响应性能的提升

(a) 在不同压应变条件下，器件在暗场条件下的电流电压曲线。插图为在2V正向偏压下，输出电流随压应变的变化。

(b-d) 在2V正偏压下，光电流(b)、光响应(c)和探测率(d)在不同压应变和功率密度条件下的变化。

(e) 器件在功率密度为3 mW cm^-2光照条件下的时间响应和重复性。

(f) 在-0.00‰压应变条件下，使用二阶指数衰减函数对一个时间响应周期的拟合曲线。

(g) 器件在不同压应变下的相应上升沿响应时间和下降沿响应时间。

图3：压电光电子学效应的实验验证

(a) p-Si/n-ZnO纳米线异质结光探测器的结构示意图，其中硅与CdS的₊c端形成pn结。

(b) 器件测量的实验装置示意图。

(c) 当施加2V偏压时，不同压应变条件下器件的电流电压曲线。

(d) 当施加2V正向偏压时，亮电流、暗电流和光电流在不同压应变条件下的变化。

图4：相关作用机制分析以及理论模拟验证

(a) 0V偏压下，p-Si/n-CdS异质结在无压应变（黑色虚线）和有压应变（蓝线）条件下的示意能带图。

(b) 2V正偏压下，p-Si/n-CdS异质结在无压应变（黑色虚线）和有压应变（蓝线）条件下的示意能带图。(c) 0V偏压下，通过有限元分析方法获得的在不同压应变条件下的p-Si/n-CdS异质结的能带变化图。

(d) p-Si一侧耗尽区宽度随压应变的变化。

(e) 2V正偏压下，通过有限元分析方法获得的在不同压应变条件下的p-Si/n-CdS异质结的能带变化图。

(f)(e)图中标记区域的放大图。

【小结】

这项研究通过压电光电子学效应实现了器件光响应度和探测率两项参数数百倍的提高，同时探测器的光响应时间也明显缩短，实现了近红外探测光响应度和响应时间的同时优化。这项工作不仅进一步深入揭示了pn异质结构中基本的压电光电子学效应，而且还提供了一种有效和便于操作的方法实现了Si基光电器件的调控和优化，首次将压电光电子学效应拓展到近红外探测领域。

文献链接：Largely Improved Near-Infrared Silicon-Photosensing by the Piezo-Phototronic Effect（ACS Nano, 2017, Doi:10.1021/acsnano.7b02811）

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