基于ZnO/ZnTe量子点修饰的高效宽波段石墨烯光电探测器的机理研究
批准号:
61904054
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
23.0 万元
负责人:
宋增才
依托单位:
学科分类:
半导体材料
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
中文摘要
基于新型二维石墨烯材料光电探测器件的研制是目前研究热点之一,如何设计器件结构来提升器件的稳定性、实现高灵敏度的宽波段探测,仍是目前亟待解决的重要问题。申请人拟采用Graphene与ZnO/ZnTe复合量子点构成的复合结构,充分发掘二维材料和量子点材料的结构特点,制备高效的宽波段光电探测器。利用Graphene对所有波段的光无选择性吸收,可以极大的拓宽所研制光电探测器的探测范围;利用ZnO、ZnTe材料分别对紫外光和可见光优良的敏感性,可以很好的增强光电探测器对紫外光和可见光的探测性能。研究Graphene材料的晶体质量、缺陷类型和表面态对器件光电性能的影响。通过逐步优化和改善ZnO和ZnTe量子点的制备工艺和参数,进一步提高空穴和电子的电注入平衡,降低光生载流子复合几率。研究对光电探测器敏感波长的影响及相应探测机理,为进一步推进石墨烯二维材料的光电探测应用提供指导。
英文摘要
Solid-state photodetectors (PDs) based on novel two-dimensional graphene materials have attracted extensive attention at present. How to design a PD layout to enhance the long-term stability and realize wide band detection with high sensitivity, however, is still the unsolved obstacles and needs more investigations. In this application, to solve the problems mentioned above, composite structures constructed by graphene and ZnO/ZnTe quantum dots are utilized to fully explore the structural characteristics of two-dimensional materials and quantum dots, in order to fabricate high efficiency wide band PDs. It can greatly broaden the detection range of the detector using graphene’s absorption of lights in all bands. ZnO and ZnTe have good sensitivity to UV and visible lights which can improve the detection performance of UV and visible lights. Impacts of the graphene crystalline quality, defect type, and surface states on the performance of the PDs will be investigated in order to further improve the photoelectric detection performance. With perfecting the growth parameters of ZnO and ZnTe quantum dots, balancing of the charge injection should be improved and the recombination of photo-generated electrons and holes should be reduced. Further investigation on the detection properties and related mechanisms will be conducted with stacked quantum structures. Proposals to further improve the performance of the graphene PDs will be given. All the efforts in this application aim to push the investigation and commercialization of the graphene PDs forward.
基于新型二维石墨烯材料光电探测器件的研制是目前研究热点之一,如何设计器件结构来提升器件的稳定性、实现高灵敏度的宽波段探测,仍是目前亟待解决的重要问题。依托本项目,项目负责人及其科研团队在该领域开展了以下卓有成效的工作。. 1. 研究了单层石墨烯(Graphene)作为插入层的p型硅(Silicon,Si)/n型氧化锌(Zinc Oxide,ZnO)纳米线异质结光电探测器。具有单分子层石墨烯插入层的光电探测器的紫外辐照灵敏度达到1071,比没有单分子层石墨烯插入层的光电探测器的紫外辐照灵敏度提高了7倍。单分子层石墨烯插入层的光电探测器具有更快的响应时间和恢复时间,这两个数值分别是1.02秒和0.34秒。. 2. 采用化学气相沉积法在镀有溅射金薄膜的p型硅衬底上合成了掺二氧化碲(TeO2)的氧化锌(ZnO)复合纳米材料(TZO CNRs)。实验发现,TZO CNRs的形貌、结构、组成和光学性质可以通过TeO2含量进行调节。根据TeO2含量和TZO CNRs形貌的不同,设计了三种典型的自供电TZO CNRs/Si异质结光电探测器,分别实现了对紫外光和近红外光的选择性探测。此外,该研究还阐明了导致这些器件具有如此典型特性的机理。. 3. 通过溅射和Ar等离子体处理,在150℃的低温下制备出了高质量的InGaSnO薄膜晶体管。合理设计了Ar等离子体工艺避免了激活有源层性能常用的高温长时热退火(>400℃)步骤,既实现了简化工艺,又降低了工艺温度。Ar等离子体处理改善薄膜质量并提高了器件性能,表现出高场效应迁移率(30.83 cm^2/Vs),较低的亚阈值摆幅(0.32V/decade),较小的阈值电压(-0.54V),理想的电流开关比(3.28×10^7),其效果优于300℃长时热退火。总体而言,原位Ar等离子体处理达到了高温退火的效用,扩展了薄膜晶体管在柔性电子材料产业的应用。. 4. 通过低温退火制备了具有极高迁移率的InSnO薄膜晶体管。器件在150℃低温退火后,场效应迁移率高达70.53cm^2/Vs,亚阈值摆幅仅为0.25V/dec,电流开关比高达10^8,负偏压下阈值电压偏移也在合理范围。该研究扩展了高电子浓度InSnO材料作为有源层的研究,并促进了非晶氧化物半导体在高迁移率和柔性TFT中的发展。.
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DOI:
--
发表时间:
2022
期刊:
实验技术与管理
影响因子:
--
作者:
[许磊, 胡梦真, 宋增才, 张新楠]
通讯作者:
张新楠
Enhanced Ultra-violet Photodetection Based on a Heterojunction Consisted of ZnO Nanowires and Single-Layer Graphene on Silicon Substrate
基于硅衬底上 ZnO 纳米线和单层石墨烯异质结的增强型紫外光电探测
DOI:
10.1007/s13391-019-00186-z
发表时间:
2019-11
期刊:
Electronic Materials Letters
影响因子:
2.4
作者:
[Yu Liu, Zengcai Song, Sheng Yuan, Lei Xu, Yan-hui Xin, Duan Meixia, Shu-xia Yao, Yang Yangrui, Zhenwei Xia]
通讯作者:
Zhenwei Xia
DOI:
--
发表时间:
2022
期刊:
半导体光电
影响因子:
--
作者:
[刘雨, 宋增才, 张东]
通讯作者:
张东
High mobility amorphous InSnO thin film transistors via low-temperature annealing
通过低温退火制备高迁移率非晶 InSnO 薄膜晶体管
DOI:
10.1063/5.0131595
发表时间:
2023-01
期刊:
Applied Physics Letters
影响因子:
4
作者:
[Mengzhen Hu, Lei Xu, Xinnan Zhang, Hanyuan Hao, Shi Zong, Haimin Chen, Zengcai Song, Shijun Luo, Zhihua Zhu]
通讯作者:
Zhihua Zhu
Self-powered adjustable UV and NIR photodetectors based on one-step synthesized TeO2 doped ZnO composite nanorods/Si heterojunction
基于一步合成TeO2掺杂ZnO复合纳米棒/Si异质结的自供电可调紫外和近红外光电探测器
DOI:
10.1016/j.sna.2021.113009
发表时间:
2021-11
期刊:
Sensors and Actuators A: Physical
影响因子:
--
作者:
[Yu Liu, Zengcai Song, Mengzhen Hu, Junfeng Chen, Sheng Yuan, Lei Xu]
通讯作者:
Lei Xu
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