论文部分内容阅读
物联网、人工智能、可穿戴设备等新兴领域的发展，对光电传感技术与原位发电技术提出了高灵敏度、高功率、轻质化等要求。针对不同应用场景下的图像传感和能源供应需求，急需开展新型半导体二极管的光电与发电器件的研究。二维原子材料石墨烯具有优异的电学、光学等性质，结合半导体构建石墨烯/半导体静态二极管，可以应用于高性能光电器件领域。石墨烯与直接带隙半导体异质结具有吸光层、内建电场层和光场调控层三层合一的物理特性，本文利用量子点、金属纳米颗粒等光敏纳米粒子进行光场调控，可以进一步提升其性能，应用于更多高性能需求光电传感领域。传统的法拉第电磁发电机基于金属切割磁力线，限制了其在某些微型、轻质化场景的应用。相对于上述静态二极管器件，本文提出新型动态半导体二极管发电机的概念，其可以在无磁场、无光的条件下随时随地获取机械能输出连续直流电信号。基于界面反弹热载流子物理图像，利用界面载流子阻挡层设计，可以调节界面势垒高度与电压输出。动态半导体二极管发电机无需外加整流电路以及储能模块即可为电子电路系统实时供电。控制并利用电子在半导体中的输运是发展半导体光电与发电器件的核心，本论文开展的新型半导体二极管光电与发电器件研究，可以在物联网、可穿戴设备等领域获得重要应用，具体工作内容如下：
(1)提出了一种石墨烯/氮化硼/氮化镓异质结紫外光电探测器，系统研究了异质结界面引入氮化硼层的隧穿机理，利用界面隧穿层降低了紫外光电探测器的暗电流，进而将探测度提高至1.0×1013Jones。利用氧化锌量子点光掺杂，提高了紫外光电探测器的光响应电流，进而将响应度提高至1915A/W。
(2)设计了一种石墨烯/砷化镓异质结自驱动光电探测器，实现了320-980nm宽频谱光电探测。利用金属银纳米颗粒表面等离子体共振实现光场调节，结合石墨烯/GaAs异质结吸光层、内建电场层和光场调控层三层合一的物理特性，将响应度和探测度提高至210mA/W和2.98×1013Jones。
(3)提出动态肖特基二极管的物理概念，实现了开压0.6V、短路电流密度40.0A/m2、输出功率密度5.25W/m2的连续直流电输出。基于半导体物理特性，提出界面载流子反弹的物理机制，并设计了石墨烯柔性可穿戴的直流发电手环。
(4)开展动态半导体二极管器件研究，提出了系统的界面反弹载流子物理图像；利用界面载流子阻挡层设计调节界面势垒高度与内建电场强度，基于P-Si/AlN/MoS2结构实现开压5.1V、短路电流密度112.0A/m2、输出功率密度130.0W/m2的连续直流电输出，并实现了连续一小时的稳定工作，揭示了其在物联网、可穿戴设备供电与压力传感等领域的应用潜力。
(5)基于层状半导体黑磷的物理特性，揭示了动态二极管界面热电子输运过程，减少热载流子能量损耗，设计动态P-Si/AlN/黑磷二极管结构实现开压6.1V、短路电流密度124.0A/m2、输出功率密度201.0W/m2的连续直流电输出，能量转换效率31.4%。无需外加电路即可实现对LED的实时高效供电，验证其在物联网、可穿戴设备等领域的应用前景。
(1)提出了一种石墨烯/氮化硼/氮化镓异质结紫外光电探测器，系统研究了异质结界面引入氮化硼层的隧穿机理，利用界面隧穿层降低了紫外光电探测器的暗电流，进而将探测度提高至1.0×1013Jones。利用氧化锌量子点光掺杂，提高了紫外光电探测器的光响应电流，进而将响应度提高至1915A/W。
(2)设计了一种石墨烯/砷化镓异质结自驱动光电探测器，实现了320-980nm宽频谱光电探测。利用金属银纳米颗粒表面等离子体共振实现光场调节，结合石墨烯/GaAs异质结吸光层、内建电场层和光场调控层三层合一的物理特性，将响应度和探测度提高至210mA/W和2.98×1013Jones。
(3)提出动态肖特基二极管的物理概念，实现了开压0.6V、短路电流密度40.0A/m2、输出功率密度5.25W/m2的连续直流电输出。基于半导体物理特性，提出界面载流子反弹的物理机制，并设计了石墨烯柔性可穿戴的直流发电手环。
(4)开展动态半导体二极管器件研究，提出了系统的界面反弹载流子物理图像；利用界面载流子阻挡层设计调节界面势垒高度与内建电场强度，基于P-Si/AlN/MoS2结构实现开压5.1V、短路电流密度112.0A/m2、输出功率密度130.0W/m2的连续直流电输出，并实现了连续一小时的稳定工作，揭示了其在物联网、可穿戴设备供电与压力传感等领域的应用潜力。
(5)基于层状半导体黑磷的物理特性，揭示了动态二极管界面热电子输运过程，减少热载流子能量损耗，设计动态P-Si/AlN/黑磷二极管结构实现开压6.1V、短路电流密度124.0A/m2、输出功率密度201.0W/m2的连续直流电输出，能量转换效率31.4%。无需外加电路即可实现对LED的实时高效供电，验证其在物联网、可穿戴设备等领域的应用前景。