环境光探测器(从可见光到毫米波的超宽带碲光电探测器)

Posted 2023-06-02

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环境光探测器(从可见光到毫米波的超宽带碲光电探测器)

研究背景

光电探测器可以将光转换为电信号，这是获取信息的核心。目前，光电探测技术正朝着高灵敏度和宽带响应方向发展。高性能宽带光电探测在成像、通信、医学等多种前沿技术中具有重要意义。此外，宽带光电探测器可用于波长选择性光电探测器应用。然而，同时覆盖可见光(VIS)、红外(IR)、太赫兹(THz)和毫米波(MMW)波段对高性能宽带光电探测提出了重大挑战。基于半导体中光激发电子-空穴对的传统光电检测对于探测VIS和IR是有效的。但由于光子的能量低于带隙和强烈的背景波动，它在长波长方面表现不佳，特别是在THz和MMW范围内。商用长波长光电探测器目前主要由量子阱光电探测器(QWP)、场效应晶体管(FET)和肖特基势垒二极管(SBD)组成。然而，它们通常需要复杂的材料生长和/或制造技术，并且QWP只能在低温下工作。此外，热探测器通常响应缓慢。因此，探索实现高灵敏度宽带光电探测的新策略迫在眉睫。

成果介绍

有鉴于此，近日，中科院上海技术物理研究所黄志明研究员和高艳卿副研究员（共同通讯作者）团队，展示了一种基于单个金属-Te-金属结构同时覆盖可见光、红外、太赫兹和毫米波的超宽带光电探测器。通过光激发电子-空穴对和电磁感应阱效应（EIW）两种光电效应的协同作用，探测器实现了635 nm处0.793 A W-1、1550 nm处9.38 A W-1、0.305 THz处9.83 A W-1、0.250 THz处24.8 A W-1、0.172 THz处87.8 A W-1、0.022 THz处986 A W-1的响应率。它还表现出出色的偏振探测，二向色比为468。高分辨成像实验进一步验证了探测器的优异性能。最后通过空气中长期沉积和高温老化测试了探测器的高稳定性。该策略提供了一种利用全光电效应实现高灵敏度和快速响应超宽带光电探测的方法。文章以“Ultrabroadband Tellurium Photoelectric Detector from Visible to Millimeter Wave”为题发表在著名期刊Advanced Science上。

图文导读

图1. Te纳米片的材料特性。（a）晶体结构示意图。（b）Te纳米片的PVD生长示意图。（c）Te纳米片的SEM图像。（d）Te纳米片的AFM扫描显示出优异的均匀性。（e）拉曼光谱。（f）Si/SiO2衬底上Te纳米片的XRD图。

Te晶体具有独特的手性链晶格，其中Te原子的单个螺旋链通过范德华键堆叠在一起，每个Te原子与其在同一链上的两个最近邻原子共价键合，如图1a所示。为了探索Te纳米片在光电探测中的性能，通过物理气相沉积(PVD)生长了高质量的Te纳米片。将Te块材作为前驱体放置在高温区的石英舟中，倒置的SiO2/Si衬底位于低温区，如图1b所示。Te纳米片的微观结构和表面形态通过图1c和d中的SEM和AFM测量。层状结构清楚地显示在SEM图像中，AFM图像显示光滑的样品表面。算术平均粗糙度Ra约为0.08387nm，均方根粗糙度Rrms约为0.1102nm。为了进一步分析Te纳米片的质量和晶体结构，进行了拉曼和XRD测量。Te纳米片的拉曼光谱如图1e所示，在大约93、121和141 cm-1处表现出三种主要的拉曼活性模式，分别代表E1、A1和E2模式。通过XRD检测Te纳米片的相和纯度，从图1g中可以看到Te纳米片是单晶的，生长方向沿(100)，衍射峰对应于六方晶体结构。所有这些都表明形成了高质量的Te纳米片，这对制造高性能探测器具有重要意义。

图2. Te探测器的结构和电学特性。（a）结构示意图。（b）I-V特性。

随后，制造了Te探测器的MSM结构（图2a），可以在室温下工作。探测器的I-V特性在-0.25至0.25 V范围内测量，并观察到出色的欧姆行为（图2b）。探测器的沟道长度为10 μm，Te纳米片的宽度约为8 μm，厚度约为385 nm。

图3. Te探测器在不同波段的探测机制。（a）Ti/Au-Te-Ti/Au在可见光和红外辐射下的能带结构。（b）在太赫兹和毫米波辐射下Ti/Au-Te-Ti/Au的能带结构。（c&d）偏置电压为0.2 V时，IR(1550 nm)辐射的正光电导和THz(0.172 THz)辐射的负光电导。（e&f）IR(1550 nm)和THz(0.172 THz)辐射的响应时间。（g&h）电导随1550 nm激光和0.022 THz辐射功率的变化。

接下来，探索了Te探测器的性能。基于Te的宽带探测是由光激发电子-空穴对和EIW效应引起的。在VIS和IR波段，由于入射光的能量超过Te的带隙（hυ≥Eg），形成非平衡电子-空穴对，如图3a所示。在外加电场作用下，光生载流子分别被阳极和阴极收集。更重要的是，Te探测器可以直接探测THz和MMW。THz和MMW的光子能量远小于0.3 eV的Te带隙，额外的载流子不能通过带间跃迁光生成。尽管如此，根据之前对EIW的研究，MSM结构可以利用THz和MMW辐射的反对称电场，当探测器受到辐射时会形成电磁感应阱。在反对称电场出现平行于探测器表面的一半周期内，金属电极中的电子通过洛伦兹力发射到半导体Te中（图3b）。在接下来的半周期中，注入的电子减速但进一步沿轨迹中心向前移动。然后电子与p型半导体Te中的空穴复合，改变了Te纳米片的电阻。因此，在VIS和IR波段观察到正光电导，而在THz和MMW波段观察到负光电导，如图3c和d所示。在1550 nm激光辐射下，探测器的响应时间τrise和τfall分别为70和72 μs，如图3e所示。在太赫兹辐射下，响应时间τrise和τfall分别为4.5和2.5 μs，如图3f所示。这是因为光激发引起的光响应速度主要取决于辐射寿命，而在EIW效应中，响应速度主要取决于载流子的俄歇寿命。为了验证探测器的不同响应特性，在室温下用0.2 V偏置电压测量了相对电导，如图3g和h所示。

图4. Te探测器在太赫兹波段的性能。（a-d）在0.172、0.250和0.305 THz，偏置电压为0.2至1.0 V的Iph、RI、NEP和D*。（e）探测器的幅频响应。（f）探测器在5和10 kHz的波形。

如图4a所示，光电流随着偏置电压增加而线性增加。响应率（RI）、噪声等效功率（NEP）和探测率（D*）是衡量探测器性能的重要指标。图4b-d显示了室温操作下Te探测器在不同偏置下测得的RI、NEP和D*，表现出优异的性能。根据计算，在0.2 V的偏置电压下，探测器在THz兹波段具有高达87.8 A W-1的RI、7.58×10-14 W Hz-0.5的NEP和1.19×1010 cm Hz0.5 W-1的D*。此外，在0.172 THz下以150 Hz至100 kHz的调制频率f记录了光电流。探测器显示3 dB带宽为3.4×104 Hz，对应的响应时间为4.68 μs，与图3f中脉冲的测量结果一致。在图4f中记录了探测器在5和10 kHz的波形，表明该探测器比商用Golay、热释电和非制冷半导体微测辐射热计探测器（毫秒级）快得多，可以满足实时成像应用的要求。

图5. Te探测器的成像和稳定性。（a）偏振测量的示意图。（b）Te探测器在0.022 THz处的偏振特性。（c）THz透射扫描成像的示意图。（d）高分辨图像。（e）在大气中沉积12个月前后监测探测器的响应。（f）将探测器加热至200 ℃并保持20分钟，冷却至室温后测得的响应几乎保持不变。

此外，还测量了0.022 THz响应的偏振相关性。偏振探测的示意图如图5a所示。沿x轴（TM）偏振时响应最大，随着偏振偏离x轴而减小，最后在沿y轴（TE）偏振时消失，最终形成瓣状偏振图，如图5b所示。由于半导体内部形成的EIW、天线的偏振效应和Te晶体优良的各向异性，探测器表现出良好的偏振探测，偏振消光比为468。为了验证探测器的应用，进行了THz透射扫描成像实验。THz源被调谐到0.305 THz，并在室温和环境条件下工作。装置示意图如图5c所示。在图5d中，通过THz成像实验可以看出，不透明塑料包装中的一颗奶片完好无损，另一颗出现裂纹。这表明Te探测器可用于快速成像应用，例如识别隐藏物体和食品质量检查。

探测器的高稳定性是其广泛应用的重要前提。许多合成的元素2D材料通常在环境大气中不稳定，但Te表现出良好的稳定性。在这项工作中，评估了Te探测器对环境大气和热处理的稳健性。未封装的探测器长时间放置在大气中，处理前后监测0.022 THz处的性能，几乎没有变化，如图5e所示。为了进一步验证稳定性，将探测器加热至200 ℃并保持20分钟。冷却后，响应几乎保持不变，如图5f所示。因此，Te纳米片和探测器在各种恶劣的工作环境下都表现出很高的稳定性。

总结与展望

本文开发了一种基于Te半导体的超宽带全光电探测器，具有同时覆盖可见光、红外、太赫兹和毫米波的优异灵敏度和高稳定性。探测器在VIS和IR波段的响应源于光激发的电子-空穴对。响应率在635 nm处为0.793 A W-1，在1550 nm处为9.38 A W-1。基于EIW效应，探测器在THz和MMW波段也具有出色的响应，响应率在0.305 THz处为9.83 A W-1、在0.250 THz处为24.8 A W-1，在0.172 THz处为87.8 A W-1，并且0.022 THz时的二向色比为468。由于光电探测机制不同，与VIS（≈44.5 μs）和IR（≈70 μs）波段的响应相比，探测器在THz波段具有快速响应（≈4.5 μs）。THz成像实验证明了探测器可用于区分隐藏物体。此外，Te探测器的高稳定性也通过空气中的长期沉积和高温老化实验得到验证。本文的研究结果表明，Te是宽带光电探测的理想材料，光激发电子-空穴对和EIW效应的协同作用对拓宽响应波段和提高光电探测器的响应速度具有重要的理论指导意义。

文献信息

Ultrabroadband Tellurium Photoelectric Detector from Visible to Millimeter Wave

(Adv. Sci., 2021, DOI:10.1002/advs.202103873)

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202103873