基于II-VI族低维半导体结构的高性能耗尽型和存储型光电探测器的制备与机理研究
批准号:
62074051
项目类别:
面上项目
资助金额:
61.0 万元
负责人:
邵智斌
依托单位:
学科分类:
半导体光电子器件与集成
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
邵智斌
中文摘要
弱光探测在夜视、遥感、天文观测和量子通讯等领域具有重要应用。目前商用弱光探测器主要包括光电倍增管和雪崩二极管等,它们通常尺寸较大,需要高工作电压,与数字成像系统中的微电子电路难以兼容。本项目以发展高探测度和高弱光探测灵敏度为目标,系统开展II-VI族低维半导体的表界面调控及高性能纳米光电探测器的制备和机理研究。以调控表面态为目的进行II-VI族低维半导体的可控制备,利用表面态处理、表面掺杂、表面修饰等手段调控II-VI族低维半导体的光电性能,建立表界面调控与光电性能之间的相互关系。在此基础上,通过表界面调控构筑基于II-VI族低维半导体的高探测率和高弱光探测灵敏度的耗尽型和存储型光电探测器,研究新型器件的工作机理,重点探究表界面调控对器件的影响机制。本项目提出了基于低维半导体材料的新概念弱光探测器,项目的开展将有望突破性提升纳米光电探测器的弱光探测能力,对纳米光电探测器的应用具有重要意义。
英文摘要
Ultraweak light detectors have wide-ranging important applications such as astronomical observation, remote sensing, laser ranging, and night vision. Current commercial ultraweak light detectors are commonly based on a photomultiplier tube or an avalanche photodiode, and they are incompatible with microelectronic devices for digital imaging applications, because of their high operating voltage and bulky size. In this project, we will systematically investigate the property tuning and high-performance photodetectors of low-dimensional group II-VI semiconductor nanostructures via surface engineering. The controllable preparation of low-dimensional group II-VI semiconductor nanostructures will be conducted for the purpose of adjusting their surface states. The electronic and optoelectronic properties will be rationally tuned by surface engineering strategy including surface state treatment, surface doping, and surface modification. Furthermore, high-detectivity and high-sensitivity full-depleted and memory photodetectors will be constructed and optimized. We will study the working mechanism and photoelectric conversion law of the new-type photodetector, especially focusing the direct characterizations of surface effects. This project offers a design concept for ultraweak light sensing devices, and will overcome the performance bottleneck of low-dimensional nanostructure-based photodetectors, thus presenting significant advance towards the development of ultraweak light sensors.
弱光探测技术在夜视监控、遥感探测、天文观测以及前沿的量子通讯等多个领域占据着举足轻重的地位。当前,市场上主流的弱光探测器,如光电倍增管和雪崩光电二极管,主要依赖倍增光生电流的机制来放大输出电信号,尽管性能卓越,但这些器件往往体积庞大或需要施加高电压,从而在与先进的数字成像系统中的微电子电路集成时面临不小的挑战。近年来,基于低维半导体纳米结构的光电探测器由于其高灵敏度、高集成度而引起了极大的关注。然而,由于单个入射光子通常只能在半导体中激发一对电子和空穴,其光电转换效率仍然受到光电转换幂律的限制,在弱光照射下表现出较低的灵敏度。在本项目的资助下,我们团队在基于II-VI族半导体纳米结构的高性能耗尽型和存储型光电探测器的研发与应用方面取得了突破性进展。我们利用化学气相沉积和硫属化技术,成功制备出了具有大面积镉基及其硫属化合物二维薄层结构;同时,通过磁控溅射工艺,打造出纳米柱阵列结构,极大地增强了感光半导体的光吸收效率;进一步地,我们采用气相沉积方法,在感光半导体上沉积光学薄膜及F-P膜,实现了对其光谱响应的精确调控。在此基础上,我们构建了基于II-VI族半导体微纳结构的高性能耗尽型探测器,充分利用其弱光探测能力强、易于阵列化集成以及波长分辨率高等特点,开拓了水下光通讯、水下光成像、高光谱成像以及多通道通讯等一系列创新应用。此外,我们还通过能带工程的精妙设计,成功构建了宽光谱CdSxSe1-x三元半导体存储型光电探测器,该探测器在功能上实现了对人类视觉系统感光细胞的高度集成与模拟。这一系列研究成果不仅局限于特定组分与带隙的II-VI族半导体材料,还拓展至更广泛的范德华半导体纳米结构领域,为超弱光探测技术的发展开辟了全新的视角与路径。我们的工作有力推动了II-VI族半导体微纳结构在光电探测领域的应用。
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