可控轉移二維GaSe制備高性能光電探測器

梁瑤,徐基源,溫陽,唐曉秋,武素梅

(大連交通大學 材料科學與工程學院,遼寧 大連 116028)

高性能光電探測器被廣泛地應用在眾多領域,例如空間通信[1-2]、生物識別[3]、傳感[4]、化學檢測[5]等。納米材料具有大的表面積與體積比以及高的結晶質量,在制作高性能光電探測器上有非常大的應用潛力[6]。自從2004年石墨烯被發現以來,二維材料成了相關領域的研究熱點[7]。相比零維和一維納米材料,二維材料具有許多獨特的物理特性,而且與傳統微電子制造技術更兼容,在新型器件制作上將更具優勢[8]。盡管石墨烯展示了在寬波段高速光電探測器上的應用潛力,但是由于石墨烯帶隙為零,具有很高的導電性,用于光電探測具有很高的暗電流,這使其應用受到限制[9-10]。隨后非零帶隙二維金屬硫族化合物(如InSe[11-12]、GaS[13]和GaSe[14]等)吸引了研究人員的注意,被認為在制作高性能光電探測器上更具應用潛力。

GaSe是一種具有層狀結構的半導體材料[15],層內主要通過共價鍵結合,而層間通過弱的范德瓦爾斯鍵相互束縛,單層GaSe厚度約為0.8 nm,沿c軸方向按Se-Ga-Ga-Se原子層排列[16]。這種層狀結構材料很容易通過機械剝離的方法制得相應的二維材料[17]。多層二維GaSe是直接帶隙材料,禁帶寬度約為2.0 eV,具有高電阻率,用其制作光電探測器可以降低器件的暗電流,從而增大開關比[18-19]。Hu等[8]采用機械剝離的方法制成較少層數的二維GaSe,將其制成光電探測器,器件具有0.02 s的快速響應和2.8 A/W的高響應度,展示了GaSe在制作高性能光電探測器上的應用潛力。Ko等[20]發現增加二維材料厚度能提高器件的響應度,最終獲得器件的響應度達到0.57 A/W。Zhou等[21]人通過范德瓦爾斯外延法成功在云母片上合成了二維GaSe晶體,利用其制作的光電探測器響應度為0.03 A/W。Lei等[14]通過氣相輸運的方法成功在絕緣襯底上生長較大尺寸的二維GaSe,最終制成光電探測器的響應度為0.017 A/W。在這些研究中,通常將二維GaSe置于絕緣襯底上,再在二維材料上制作金屬電極,最終制成光電探測器,這種方法易導致電極與二維材料接觸過于緊密而形成共價鍵,改變材料費米能級,使二維材料性能受電極制作流程影響[22]。而采用先制作電極再將二維GaSe轉移到電極上制成光電探測器的方法可以避免電極制作流程對二維材料性能產生影響,因此通過該法可控轉移二維GaSe制備高性能光電探測器的可行性探索就顯得十分必要。

本文通過機械剝離的方法獲得二維GaSe,并定向轉移到預先制好的金屬電極上,制成光電探測器,對器件的性能進行檢測,研究了電極間距對器件性能的影響。探索將二維GaSe可控轉移到電極上制成光電探測器工藝流程的可行性,為制作高性能二維材料基光電探測器提供指導。

1 實驗部分

本文采用機械剝離法制取二維材料,利用膠帶從GaSe晶體(HQ graphene,純度大于99.995%)上揭取二維GaSe。將二維GaSe材料粘到SiO2(300 nm)/Si表面,利用拉曼光譜儀(Renishaw)和光致發光光譜儀(OmniPL-LF325)對二維材料的光學性質進行檢測,均以532 nm激光作為激發光源。通過光刻和電子束蒸發技術在SiO2(300 nm)/Si襯底上制備金屬電極,電極下層為鉻,厚度30 nm,上層為金,厚度100 nm。通過定向轉移技術,利用聚二甲基硅氧烷膜(PDMS)將二維GaSe樣品轉移到金屬電極上,制成二維GaSe基光電探測器,該器件的結構模型如圖1所示。器件制作完成后,通過光學顯微鏡(OLYMPUS BX41M)和原子力顯微鏡(Bruker Multimode-8)對二維GaSe的形貌進行檢測。本文選用不同波長的光照射光電探測器,利用吉時利2635B源表測試器件的電學特性。器件外加固定電壓,開關光,測試電流隨時間的變化關系。利用Newport Model 843光功率計測量入射光功率。

圖1 GaSe光電探測器模型圖

2 結果與討論

圖2 二維GaSe的光學性質

將二維GaSe定向轉移到5 μm間距的電極上制成光電探測器,圖3(a)為器件的光學顯微鏡圖像和實物圖。從光學顯微鏡圖像可以觀察到二維GaSe厚度均一,兩電極間二維材料占據的面積為光電探測器的有效探測面積,約為90 μm2。通過原子力顯微鏡對電極上的二維GaSe進一步檢測,可知其厚度大約為30 nm(約37層),見圖3(b),該厚度有利于獲得高響應度的光電探測器[22]。

圖3 GaSe光電探測器(電極間距5 μm)

對光電探測器(電極間距5 μm)的探測性能進行系統測試,結果見圖4。圖4(a)為黑暗和不同波長光照下器件的I-V曲線,曲線均為線性,說明二維材料與金屬電極形成了較好的歐姆接觸,同時可以看到器件對入射光均有光響應。外加2 V電壓,開關光,測試器件電流隨時間的變化曲線,結果見圖4(b),可以看出二維GaSe光電探測器能實現對入射光的快速、穩定、可重復探測。外加2 V電壓,器件的暗電流約為5 pA。照射450 nm波長光時,器件的照光電流最大,達到96 pA,器件的開關比(照光電流與暗電流比值)約為19。以450 nm波長入射光為例,研究了光電探測器的響應速度,結果見圖4(c)。光響應(恢復)時間定義為光電流(Iph,即照光電流與暗電流差值)從10%升至90%(90%降至10%)所需時間。外加2 V電壓時,光電探測器的響應時間和恢復時間均為300 ms。圖4(d)展示了器件光電流Iph與入射光功率密度P之間的關系,通常滿足Iph∝Pα,α是擬合常數,對數據擬合可得α值為0.36,α遠小于1說明二維GaSe中存在較多陷阱態[25]。

圖4 GaSe光電探測器(電極間距5 μm)探測性能

響應度(R)和外量子效率(EQE)是衡量光電探測器性能的重要參數,分別通過以下公式計算:

R=Iph/PS

(1)

EQE=hcR/eλ

(2)

式中:Iph是光電流;P是入射光功率密度;S是光電探測器有效面積;h是普朗克常數;c是光速;e是單位電荷;λ是入射光的波長[26]。圖4(e)和4(f)分別展示了器件響應度和外量子效率與入射光波長之間的關系,可以看出, 入射光波長從650 nm減小到600 nm時,器件的響應度和外量子效率都有明顯提升。二維GaSe的禁帶寬度約為2.0 eV,其本征吸收長波限約為620 nm。當入射光波長從650 nm減小到600 nm時,入射的光子可以將價帶的電子激發到導帶,產生更多載流子,使器件的光電流迅速上升, 響應度和外量子效率得以明顯提高。在450 nm波長光照射時,器件的響應度為68.3 mA/W,外量子效率為18.8%。光電探測器對300 nm紫外光展示了最高的響應能力,響應度為440.9 mA/W,外量子效率為176.6%。

為了探索電極間距對光電探測器性能的影響,在3 μm間距電極上通過定向轉移技術放置一片二維GaSe,制成了另一個光電探測器,對器件的光電探測性能進行系統測試,結果見圖5。圖5(a)內插圖為器件的光學顯微鏡圖像,可以看到二維材料厚度均一,器件有效探測面積約為48 μm2。圖5(a)是黑暗和分別照射450、488、635 nm波長光時器件的I-V曲線,電流和電壓之間關系近似為線性,也說明二維材料與電極形成了較好的歐姆接觸,器件對入射光均有光響應。圖5(b)展示該光電探測器同樣可以高效、穩定、可重復對不同波長光進行探測。同樣,器件在450 nm波長光照下的照光電流最大,約為97 pA,暗電流約為3 pA,器件的開關比為32,可以看出減小電極間距能夠有效增加器件的開關比。圖5(c)展示器件對450 nm入射光的響應時間為320 ms,恢復時間為280 ms。圖5(d)展示了該器件在450 nm光照下光電流與入射光功率密度之間的關系, 對數據擬合可得α值為0.45。圖5(e)和圖5(f)分別展示了該器件響應度和外量子效率與入射光波長之間的關系,同樣在入射光波長從650 nm減小到600 nm時,器件的響應度和外量子效率都有明顯提升。在450 nm波長光照射時,器件的響應度為144.6 mA/W,外量子效率為39.9%。光電探測器對300 nm紫外光展示了最高的響應能力,響應度為677.2 mA/W,外量子效率為271.2%。

圖5 GaSe光電探測器(電極間距3 μm)探測性能

為了獲得電極間距對器件開關比和響應度的影響,分別在10和20 μm間距的電極上又制作了兩個GaSe光電探測器,見圖6(a)和圖6(b)。對器件性能進行系統檢測,最終得出器件開關比隨電極間距變化曲線(圖6(c))以及響應度隨電極間距變化曲線(圖6(d))?？梢钥闯?縮短電極間距可以有效提高器件的開關比和響應度。

根據光電導增益公式:

G=(μτV)/l2

(3)

式中:μ是載流子遷移率;τ是非平衡載流子壽命;V是器件外加電壓;l是電極間距。從式(3)可以看出,縮短電極間距可以有效增大器件的光電導增益,提高光電流數值,從而改善器件的開關比和響應度。本文光電探測器性能與已報導的器件性能的對比結果見表1, 這充分說將二維GaSe轉移到電極上制成光電探測器的制作流程是可行的。該方法可有效避免電極制作過程對二維材料性能產生影響,也適用于制作基于其他二維材料的新型光電探測器。

圖6 GaSe光電探測器(電極間距分別為10 μm和20 μm)光學顯微鏡圖像及電極間距對器件探測性能的影響規律

表1 光電探測器性能對比

3 結論

本文通過機械剝離的方法獲得二維GaSe,研究表明二維GaSe具有直接帶隙結構,禁帶寬度在2.0 eV左右,具有較好的結晶質量。將獲得的二維GaSe定向轉移到預先制好的金屬電極上制成光電探測器。器件擁有較快的響應速度(～300 ms)、較高的開關比(～32)。入射光波長從650 nm減小到600 nm時,器件的響應度和外量子效率都有明顯提升。在450 nm波長光照射時,器件的響應度為144.6 mA/W,外量子效率為39.9%。光電探測器對300 nm紫外光展示了最高的響應能力,響應度為677.2 mA/W,外量子效率為271.2%。器件電極間距縮短能有效提升器件的響應度和開關比。結果表明,將二維GaSe轉移到電極上制成光電探測器的工藝流程是可行的,適用于制作新型二維材料基光電探測器。