中长波红外光电探测新模式的探索
批准号:
62075228
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
孟祥建
依托单位:
学科分类:
红外与太赫兹物理及技术
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
孟祥建
中文摘要
中长波红外光电探测器在光电技术领域具有重要的应用,然而传统的半导体红外探测器因为复杂的原因始终受高暗电流困扰,从而使其性能下降,应用也受到严重限制。我们提出一种铁电/半导体隧道结用于对中长波红外辐射进行探测。在这种结构中,铁电隧道结的隧道效应与窄禁带半导体的光电效应进行结合,并利用铁电极化对半导体电子态进行调控,通过其耗尽态在光照下形成的光伏效应实现对中长波红外光子的有效感知。研究影响铁电/半导体隧道结光伏效应的各种因素,揭示铁电极化局域场作用光电响应机理。并分析光生载流子拆分、扩散等输运过程,揭示暗电流产生机理。设计、制备出高响应率的新型中长波红外光电探测原型器件,为发展实用型、高性能中长波红外光电探测器提供理论基础和科学依据。
英文摘要
Mid-/long-wavelength infrared photodetectors have important applications in the opoto-electronic technical fields. Suffered from high dark currents for multiple reasons, the performance of the traditional semiconductor infrared detectors is substantially degraded, and its applications are also severely limited. We propose a new structure based on ferroelectric/semiconductor tunnel junction to detect the mid-/long-wavelength infrared radiations. The tunneling effect of the ferroelectric tunnel junction couples with the optoelectronic effect of the narrow bandgap semiconductor in the structure under the infrared radiations. And the electronic states of the semiconductors can be modified by the direction of the ferroelectric polarization. In the case of depletion state, a photovoltaic effect happens under infrared radiations. Investigate the effects of the various factors on the photovoltaic effect, and reveal the mechanisms of the origin of the photovoltaic effect. Analyze the separation, diffusion, and transition of the photon-generated carriers, and reveal the mechanism of the dark current of the ferroelectric/semiconductor tunnel junctions. Design and prepare the new infrared photodetectors with high responsivity, and provide the theoretical knowledges and scientific evidences for the practical mid-/long-wavelength infrared photodetectors with high performance.
针对当前红外光电探测器存在暗电流高、工作温度低等问题,项目开展了铁电/半导体、铁电/二维半导体等异质结的结构与红外光电特性研究,以探索新型红外光电探测机制、设计红外探测器。研制了铁电/半导体异质结/隧道结、二维半导体异质结等结构,系统研究了器件的结构与红外光电特性,发现了铁电极化可以调控Fermi能级并能显著抑制暗电流、铁电极化调控半导体异质结类型等特性,发现界面势垒辅助隧穿的碲镉汞/二维材料异质结具有优异的中波红外响应特性,发现铁电/二维半导体异质结中可以利用声表面波显著抑制光电探测的暗电流,铁电/黑磷面内PN结具有优良的红外偏振探测特性,发现二维铁电材料具有体光伏效应并可以实现高速红外光电探测新机制。对低维半导体结构能量色散关系进行了理论研究,通过波动力学方法计算了一维Su–Schrieffer–Heeger (SSH)纳米带模型,发现了简洁的计算边缘态局域长度的解析式,基于该解析式,获得了一维SSH纳米带相变点随尺寸变化的解析关系式,并发现局域长度的相变临界指数为1/2,给出了边缘态的色散关系和波函数。通过范德华异质集成手段将碲镉汞材料和低维半导体材料相结合,设计了界面势垒辅助隧穿的Ⅲ类异质结能带结构探测器,在室温零偏压下,光/暗电流比达到1.31×104,归结于低暗电流和高光电流。其中低暗电流由引入势垒后pn结内建电场所致,抑制了热发射载流子的移动,高光电流归因于光致直接隧穿。项目研究揭示了铁电/半导体隧道结红外光电探测过程中响应规律、输运机理和暗电流机理;在Nature Communications、Advanced Materials等学术期刊发表论文17篇,申请国家发明专利1项;培养博士研究生4名、硕士研究生1名。
聚合物铁电超晶格及其在红外探测中的应用研究
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批准号:61574151
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项目类别:面上项目
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资助金额:68.0万元
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批准年份:2015
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负责人:孟祥建
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依托单位:
铁电隧穿效应在红外探测中的机理研究
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批准号:11374320
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项目类别:面上项目
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资助金额:89.0万元
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批准年份:2013
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负责人:孟祥建
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依托单位:
超薄弛豫铁电聚合物薄膜在红外探测中的应用研究
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批准号:60977070
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项目类别:面上项目
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资助金额:45.0万元
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批准年份:2009
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负责人:孟祥建
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依托单位:
分子水平上铁电薄膜结构与性能的研究
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批准号:60771057
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项目类别:面上项目
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资助金额:28.0万元
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批准年份:2007
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负责人:孟祥建
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依托单位:
国内基金
海外基金