【摘 要】
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具有可集成能力的宽波段红外光电探测器在目标识别、成像、远程监测、气体传感等领域有很好的应用。目前,商用红外光电探测器大多基于成熟的窄带隙半导体材料,比如在近红外(NIR)范围,主要使用基于硅(Si)和铟镓砷(In Ga As)的光电探测器。碲镉汞(Hg Cd Te)、碲化铟(In Sb)、硒化铅(Pb Se)、超晶格和量子威尔斯主要应用于中红外(MIR)波段的光电探测器,但这些光电探测器有严格的低
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具有可集成能力的宽波段红外光电探测器在目标识别、成像、远程监测、气体传感等领域有很好的应用。目前,商用红外光电探测器大多基于成熟的窄带隙半导体材料,比如在近红外(NIR)范围,主要使用基于硅(Si)和铟镓砷(In Ga As)的光电探测器。碲镉汞(Hg Cd Te)、碲化铟(In Sb)、硒化铅(Pb Se)、超晶格和量子威尔斯主要应用于中红外(MIR)波段的光电探测器,但这些光电探测器有严格的低温工作条件导致其成本高、功耗大、体积大。同时,这些材料的制备需要复杂的制造技术和耗时的程序。二维过渡金属硫属化合物(TMDs)材料不受化学键和晶格匹配的限制,可与其它半导体材料集成构建异质结器件。同时,二维TMDs材料由于原子层厚度的特征,导致二维TMDs材料会产生量子限域效应,从而提高光的吸收效率。二维TMDs材料的带隙可以通过控制厚度来调节,使其可以探测更宽的光谱范围。随着技术的进步,一些二维TMDs材料已经可以实现高质量、大面积制备,为阵列器件的构建和集成提供了良好的材料基础。二维TMDs材料为了增强光吸收和提高光生载流子的分离效率,通常与三维半导体结合形成二维/三维(2D/3D)混合维度异质结。综合以上分析,本论文将使用范德华生长法,可控制备晶圆级二维1T’-MoTe2(半金属)和二维2H-MoTe2(半导体)薄膜,并分别与三维半导体硅(Si)和锗(Ge)构建2D/3D混合维度范德华异质结红外光电探测器,并对器件的红外探测和成像性能进行系统的测试和分析。具体研究内容如下:1.使用范德华生长法,实现二维1T’-MoTe2和二维2H-MoTe2的可控制备,并成功制备2英寸(inch)级样品,并利用拉曼光谱仪(Raman)、X射线衍射仪(XRD)、电子背散射衍射仪(EBSD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)等仪器对样品进行表征和分析。2.在SiO2/Si基底上原位生长二维1T’-MoTe2和2H-MoTe2薄膜,制备1T’-MoTe2/Si和2H-MoTe2/Si垂直异质结光电探测器,对其光电性能进行系统的研究。1T’-MoTe2/Si异质结红外光电探测器在室温下具有自驱动宽波段光电探测能力,在980 nm光照下响应度为526 m A/W、外量子效率为66%、比探测率为5.3×1011Jones,响应速度为1.9/41.5μs,并对脉冲光信号有纳秒级的追踪能力。在3.0-10.6μm中长波红外范围内的比探测率为4.75-2.8×10~8Jones。对10.6μm长波红外有较好的单像素室温红外成像能力。进一步利用大面积的二维1T’-MoTe2薄膜,成功制备了8×8的1T’-MoTe2/Si异质结阵列器件,展示了出色的器件性能均一性和室温中长红外成像能力。3.通过湿法转移技术构建了1T’-MoTe2/Ge范德华异质结光电探测器,并研究了其光电性能。1T’-MoTe2/Ge具有超宽的光谱探测范围,在零偏压下,对1550nm红外信号的响应度和外量子效率分别为870 m A/W和67%,对3.0/4.6/10.6μm中长波红外的响应度分别为0.31/0.12/0.056 m A/W。
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