Ученые создают фотодетекторы видимого инфракрасного диапазона на основе черного мышьяка

Прочитано: 84 раз(а)


В последние годы исключительная структура и потрясающие электрические и оптические свойства двумерных (2D) слоистых кристаллов привлекли широкое внимание. Примеры таких кристаллов включают графен, черный фосфор (BP) и дихалькогениды переходных металлов (TMD).

Благодаря своей атомной толщине, высокой подвижности носителей заряда и регулируемой запрещенной зоне эти материалы имеют огромные перспективы в различных приложениях и продолжают вызывать значительный интерес в научном сообществе. Графен, кристаллическая структура плотно упакованных атомов углерода , соединенных гибридизацией sp 2 , образующих однослойную двумерную сотовую решетку, может похвастаться подвижностью электронов до 2×10 5 см 2 ·В -1 ·с -1 .

Однако короткоживущие фотогенерированные носители графена, обусловленные его нулевой запрещенной зоной и чрезвычайно низким поглощением света (2,3%), затрудняют его применение в устройствах . Дихалькогениды переходных металлов обладают широкой запрещенной зоной и относительно низкой подвижностью носителей (<200 см 2 ·В -1 ·с -1 ), что делает их непригодными для применения в области оптоэлектронного обнаружения.

Благодаря своим уникальным характеристикам черный фосфор является весьма перспективным материалом для инфракрасных детекторов. Примечательно, что он имеет прямую запрещенную зону в диапазоне от 0,34 эВ в объеме до 2,1 эВ в форме монослоя. Кроме того, согласно предыдущим исследованиям, черный фосфор обладает высокой подвижностью носителей, составляющей примерно 1000 см 2 ·В -1 ·с -1 , и большим коэффициентом включения/выключения, равным 105. Эти свойства еще больше повышают потенциал черного фосфора как предпочтительного материала. для приложений инфракрасного обнаружения.

К сожалению, черный фосфор обладает плохой стабильностью и быстро разлагается в атмосфере при комнатной температуре, что ограничивает его практическое применение. Черный мышьяк (B-As), как гомолог фосфора, имеет аналогичную кристаллическую структуру с BP и, как ожидается, будет демонстрировать превосходные электрические и оптические характеристики с ожидаемой высокой подвижностью носителей (до 10 3 см 2 ·В -1 ·с). -1 ).

Как показали предыдущие исследования, ширина запрещенной зоны B-As сильно зависит от толщины материала. В частности, непрямая запрещенная зона однослойных B-As колеблется примерно в пределах 1-1,5 эВ, тогда как объемная B-As представляет собой прямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны примерно 0,3 эВ.

Эти результаты подчеркивают важность учета толщины слоя при изучении электронных и оптических свойств B-As, демонстрируя потенциал этого материала в различных приложениях.

Теперь исследовательская группа разработала двухдиапазонный фотодетектор на основе черного фосфора для видимых и инфракрасных волн. При комнатной температуре команда обнаружила с помощью передаточных характеристик устройства и вольт-амперных характеристик, что подготовленное устройство представляет собой полевой транзистор n-типа с режимом истощения и имеет хороший омический контакт.

Исследование опубликовано в журнале Advanced Devices & Instrumentation.

Когда энергия падающих лазерных фотонов превышает ширину запрещенной зоны нескольких слоев B-As (hv > Eg), могут генерироваться фотовозбужденные электронно-дырочные пары. Когда устройство B-As находится в режиме смещения, приложенное электрическое поле эффективно разделяет фотогенерированные электронно-дырочные пары на границе раздела и вводит их в электрод, тем самым генерируя фототок. Результаты исследований группы показывают, что фотопроводящий эффект является основным механизмом светового отклика устройства B-As в видимом и инфракрасном диапазонах.

В ходе эксперимента они обнаружили слабый сигнал при нулевом напряжении смещения, что, по их анализу, связано с неравномерным освещением лазерного пятна на канале, подводящем фототермический ток. Это также можно объяснить эффектом Дембера, вызванным разными коэффициентами диффузии электронов и дырок, что приводит к появлению встроенного электрического поля.

Исследователи предоставили наиболее интуитивный и эффективный способ отображения области, где генерируется фототок, путем сканирования карт фототока, используемых для подтверждения их объяснения. Слабый сигнал фототока излучается устройством при смещении 0 В, что подтверждает предыдущее объяснение. Увеличение напряжения смещения на 0,01В при том же положении канала обнаруживает значительное расширение светочувствительной области.

В результате этого исследования был успешно разработан фотодетектор B-As, способный быстро реагировать при комнатной температуре и демонстрирующий исключительные характеристики двухдиапазонного светового отклика. Детектор продемонстрировал пиковую фоточувствительность 387,3 мА·Вт -1 на длине волны ближнего инфракрасного диапазона 825 нм без необходимости внешнего смещения и достиг высокой детекторной способности 1,37×10 8 Джонса.

Механизм реакции в видимом и инфракрасном спектре в первую очередь объясняется эффектом фотопроводимости. Эти результаты не только подтверждают превосходные фотоэлектрические характеристики B-As как узкозонного полупроводника , но также демонстрируют его характеристики, сравнимые с показателями черного фосфора (BP), что указывает на значительный потенциал для применения в высокоскоростных оптоэлектронных устройствах. Самое главное, что возможности двухдиапазонного обнаружения, продемонстрированные в этом исследовании, закладывают прочную основу для будущего развития технологий широкополосного фотодетектирования при комнатной температуре.

Ученые создают фотодетекторы видимого инфракрасного диапазона на основе черного мышьяка



Новости партнеров