电子科技大学研制高性能可见光-近红外宽光谱探测器

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近期，电子科技大学陈超副研究员和王军教授及其团队在Advanced Optical Materials期刊上发表了题为“High-Performance Visible to Near-Infrared Broadband Bi2O2Se Nanoribbon Photodetectors”的最新论文，文中构建了Au/Bi2O2Se Nanoribbon/Au结构，实现了快速响应和低噪声的宽光谱光电探测器，本研究为高性能可见光-近红外（VIS-NIR）光电探测器的应用提供了新的契机。

图1 基于Bi2O2Se纳米带的光电探测器的光电性能（波长650nm）

低维硒氧铋（Bi2O2Se）由于其合适的电子带隙 (≈0.8eV）、高载流子迁移率（300K时≈450cm2V?1s?1）、良好的空气稳定性和环境无毒性，使其成为可见光–近红外光电探测的理想选择。然而，其高载流子浓度导致基于Bi2O2Se纳米片的探测器存在较大暗电流。为了解决这个问题，此前的研究主要通过栅极电压调节和构建异质结构来限制暗电流。但施加极高的栅极电压增加了器件的功耗，构建异质结构增加了工艺的复杂性。此外，所报道的Bi2O2Se光电探测器在近红外波段较慢的响应速度（毫秒级），限制了其在高速检测中的应用。

针对上述问题，研究团队构建了Au/Bi2O2Se Nanoribbon/Au结构，成功制备了高性能的光电探测器：通过纳米带结构极大地限制器件的暗电流，Au/Bi2O2Se之间的肖特基势垒极大地提升光响应速度。具体而言，通过化学气相沉积（CVD）可控制备了不同宽度的Bi2O2Se纳米晶体。相比于纳米片（宽度W>5μm）结构，纳米线（W<1μm）和纳米带（1μm<W<5μm）结构需要更低的沉积温度和压强，同时它们的生长取向仅存在三个角度（互为60°），这与云母衬底K原子对Se原子因静电作用而产生的约束相关。基于不同宽度Bi2O2Se纳米晶体制备了光电导探测器，宽度分别为0.5μm、3μm和18μm，实验结果验证了宽度为3μm的纳米带光电导器件拥有更好的探测性能：纳米带探测器的暗电流相比纳米片探测器下降四个数量级，而亮电流仅下降一个数量级。即纳米带器件的信噪比比纳米片器件高三个数量级。而对于纳米线器件，在暗电流下降的同时引起了光电流的急剧下降，对器件性能提升不大。因此，Bi2O2Se纳米带被认为是更有可能实现高性能探测的材料平台。此外，通过Au/Bi2O2Se Nanoribbon/Au结构实现了肖特基接触，团队极大地提升了光电探测器的响应速度。得益于肖特基势垒区高强度电场，产生在这一局部区域地光生载流子迅速漂移至电极形成光生电流，这要比欧姆接触型器件中均一分布的电场拥有更高的载流子解离效率和漂移速度。提出的基于Bi2O2Se纳米带的光电探测器在405nm-1550nm波段表现出较好的探测性能。更具体地说，当波长为650nm和1550nm时，响应时间分别为2.1μs和313μs，相应的最佳探测率分别为3.28×1013Jones和8.07×10?Jones。此外，该器件达到81kHz的-3dB带宽，当波长为650nm时，在5V偏压下表现出3.2×10?AW?1的响应度。综上所述，本研究为高性能可见光-近红外光电探测器的应用提供了新的契机。

图2 基于Bi2O2Se纳米带的光电探测器的响应速度和频率特性（波长650nm）

图3 基于Bi2O2Se纳米带的光电探测器在宽光谱范围内的光电响应

论文第一作者为电子科技大学硕士生魏于超，通讯作者为其导师陈超副研究员和王军教授，此研究得到了国家自然科学基金项目（61922022, 61875031, 62104026）支持。

论文信息：

https://doi.org/10.1002/adom.202201396