宽带隙IB族过渡金属卤化物的可控合成及日盲紫外探测器应用

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众所周知,由于平流层中的臭氧对200-280 nm范围的紫外光具有强烈的吸收效应,因此该波段的紫外光辐射无法穿透大气层到达地球表面,从而形成“日盲区”。由于日盲紫外探测器在有天空背景干扰的情况下,仍可以探测到非常微弱的日盲紫外光信号,因此开发针对日盲区波段的光探测器至关重要。宽带隙半导体材料因其具有固有日盲吸收特性以及优异的稳定性等优势而成为日盲紫外探测领域的热点材料。但传统宽带隙半导体材料在材料合成方面,存在工艺繁琐、成本昂贵以及生长环境要求苛刻等问题,与低成本理念相悖。在器件方面,基于β-Ga2O3光吸收层的光电导型探测器普遍存在工作电压大、响应速度慢等问题,而且器件响应波长位于253 nm,无法实现低功耗、高性能以及日盲紫外区全覆盖,并且β-Ga2O3也存在波长在220 nm之前响应较弱的现象。基于此,本文提出三种方案来改善上述问题。一是提出采用低压化学气相沉积(LPCVD)法合成结晶质量高以及环境稳定性好的Cs3Cu2I5微米盘,后期有望与β-Ga2O3构建II型异质结来实现自供电日盲紫外光探测器。二是利用低温液相(LPS)法直接合成吸收截止波长位于285 nm的CsAgCl2微米盘来实现日盲区全覆盖的紫外光探测器。三是采用真空蒸镀法合成宽带隙Cs2AgCl3薄膜,并进一步与β-Ga2O3结合构建II型异质结器件,既可实现自供电特性,也可弥补单独β-Ga2O3器件在220 nm之前响应较弱的不足。具体研究内容如下:1.采用LPCVD生长技术,通过改变基底生长温度、石英管内压强以及源材料与基底间的距离等参数而制备出形貌规则、结晶度高以及稳定性高的Cs3Cu2I5微米级单晶。由于Cs3Cu2I5材料较高的光学带隙和长的载流子寿命,有望与β-Ga2O3结合构建II型异质结,从而获得更高性能的自供电日盲紫外光探测器。2.采用LPS生长技术,通过改变生长温度、基底种类等参数实现了CsAgCl2微米盘的优化生长,所合成的CsAgCl2微米盘具有较高的结晶质量和优良的光学特性。进一步,我们设计并构建了Au/CsAgCl2/Au光电导型探测器,并对其光电性能进行了系统表征。结果表明,该器件具有高的日盲紫外光谱选择性,响应截止边为285 nm,在265 nm光辐照下,器件的光响应度为0.45 A/W,比探测率为2.9×1011 Jones,上升/下降时间分别为118/120 ms。此外,未封装的光电探测器在空气环境下储存3个月后,其光探测能力仍能够有效保持,展现出良好的工作稳定性以及在实际中应用的潜力。3.采用真空蒸镀技术,通过改变源供给量、生长温度和后退火温度等参数实现了Cs2AgCl3薄膜的成功制备。实验测得Cs2AgCl3材料的光学带隙高达5.0e V。进一步,我们设计并构建了Cs2AgCl3/β-Ga2O3异质结光电探测器。得益于Cs2AgCl3薄膜和β-Ga2O3单晶薄膜的高结晶质量以及II型异质结的构建,所制备的探测器表现出较低的暗电流(1.5 p A)和较高的比探测率(1.16×1012Jones)。综上所述,IB族过渡金属卤化物材料不仅具有合成工艺简单、成本低的优势,而且还具有大的光学带隙以及良好的稳定性,器件测试结果也证实了上述材料是制备日盲紫外光探测器的理想候选材料之一。
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