可控转移二维GaSe制备高性能光电探测器

梁瑶,徐基源,温阳,唐晓秋,武素梅

(大连交通大学 材料科学与工程学院,辽宁 大连 116028)

高性能光电探测器被广泛地应用在众多领域,例如空间通信[1-2]、生物识别[3]、传感[4]、化学检测[5]等。纳米材料具有大的表面积与体积比以及高的结晶质量,在制作高性能光电探测器上有非常大的应用潜力[6]。自从2004年石墨烯被发现以来,二维材料成了相关领域的研究热点[7]。相比零维和一维纳米材料,二维材料具有许多独特的物理特性,而且与传统微电子制造技术更兼容,在新型器件制作上将更具优势[8]。尽管石墨烯展示了在宽波段高速光电探测器上的应用潜力,但是由于石墨烯带隙为零,具有很高的导电性,用于光电探测具有很高的暗电流,这使其应用受到限制[9-10]。随后非零带隙二维金属硫族化合物(如InSe[11-12]、GaS[13]和GaSe[14]等)吸引了研究人员的注意,被认为在制作高性能光电探测器上更具应用潜力。

GaSe是一种具有层状结构的半导体材料[15],层内主要通过共价键结合,而层间通过弱的范德瓦尔斯键相互束缚,单层GaSe厚度约为0.8 nm,沿c轴方向按Se-Ga-Ga-Se原子层排列[16]。这种层状结构材料很容易通过机械剥离的方法制得相应的二维材料[17]。多层二维GaSe是直接带隙材料,禁带宽度约为2.0 eV,具有高电阻率,用其制作光电探测器可以降低器件的暗电流,从而增大开关比[18-19]。Hu等[8]采用机械剥离的方法制成较少层数的二维GaSe,将其制成光电探测器,器件具有0.02 s的快速响应和2.8 A/W的高响应度,展示了GaSe在制作高性能光电探测器上的应用潜力。Ko等[20]发现增加二维材料厚度能提高器件的响应度,最终获得器件的响应度达到0.57 A/W。Zhou等[21]人通过范德瓦尔斯外延法成功在云母片上合成了二维GaSe晶体,利用其制作的光电探测器响应度为0.03 A/W。Lei等[14]通过气相输运的方法成功在绝缘衬底上生长较大尺寸的二维GaSe,最终制成光电探测器的响应度为0.017 A/W。在这些研究中,通常将二维GaSe置于绝缘衬底上,再在二维材料上制作金属电极,最终制成光电探测器,这种方法易导致电极与二维材料接触过于紧密而形成共价键,改变材料费米能级,使二维材料性能受电极制作流程影响[22]。而采用先制作电极再将二维GaSe转移到电极上制成光电探测器的方法可以避免电极制作流程对二维材料性能产生影响,因此通过该法可控转移二维GaSe制备高性能光电探测器的可行性探索就显得十分必要。

本文通过机械剥离的方法获得二维GaSe,并定向转移到预先制好的金属电极上,制成光电探测器,对器件的性能进行检测,研究了电极间距对器件性能的影响。探索将二维GaSe可控转移到电极上制成光电探测器工艺流程的可行性,为制作高性能二维材料基光电探测器提供指导。

1 实验部分

本文采用机械剥离法制取二维材料,利用胶带从GaSe晶体(HQ graphene,纯度大于99.995%)上揭取二维GaSe。将二维GaSe材料粘到SiO2(300 nm)/Si表面,利用拉曼光谱仪(Renishaw)和光致发光光谱仪(OmniPL-LF325)对二维材料的光学性质进行检测,均以532 nm激光作为激发光源。通过光刻和电子束蒸发技术在SiO2(300 nm)/Si衬底上制备金属电极,电极下层为铬,厚度30 nm,上层为金,厚度100 nm。通过定向转移技术,利用聚二甲基硅氧烷膜(PDMS)将二维GaSe样品转移到金属电极上,制成二维GaSe基光电探测器,该器件的结构模型如图1所示。器件制作完成后,通过光学显微镜(OLYMPUS BX41M)和原子力显微镜(Bruker Multimode-8)对二维GaSe的形貌进行检测。本文选用不同波长的光照射光电探测器,利用吉时利2635B源表测试器件的电学特性。器件外加固定电压,开关光,测试电流随时间的变化关系。利用Newport Model 843光功率计测量入射光功率。

图1 GaSe光电探测器模型图

2 结果与讨论

图2 二维GaSe的光学性质

将二维GaSe定向转移到5 μm间距的电极上制成光电探测器,图3(a)为器件的光学显微镜图像和实物图。从光学显微镜图像可以观察到二维GaSe厚度均一,两电极间二维材料占据的面积为光电探测器的有效探测面积,约为90 μm2。通过原子力显微镜对电极上的二维GaSe进一步检测,可知其厚度大约为30 nm(约37层),见图3(b),该厚度有利于获得高响应度的光电探测器[22]。

图3 GaSe光电探测器(电极间距5 μm)

对光电探测器(电极间距5 μm)的探测性能进行系统测试,结果见图4。图4(a)为黑暗和不同波长光照下器件的I-V曲线,曲线均为线性,说明二维材料与金属电极形成了较好的欧姆接触,同时可以看到器件对入射光均有光响应。外加2 V电压,开关光,测试器件电流随时间的变化曲线,结果见图4(b),可以看出二维GaSe光电探测器能实现对入射光的快速、稳定、可重复探测。外加2 V电压,器件的暗电流约为5 pA。照射450 nm波长光时,器件的照光电流最大,达到96 pA,器件的开关比(照光电流与暗电流比值)约为19。以450 nm波长入射光为例,研究了光电探测器的响应速度,结果见图4(c)。光响应(恢复)时间定义为光电流(Iph,即照光电流与暗电流差值)从10%升至90%(90%降至10%)所需时间。外加2 V电压时,光电探测器的响应时间和恢复时间均为300 ms。图4(d)展示了器件光电流Iph与入射光功率密度P之间的关系,通常满足Iph∝Pα,α是拟合常数,对数据拟合可得α值为0.36,α远小于1说明二维GaSe中存在较多陷阱态[25]。

图4 GaSe光电探测器(电极间距5 μm)探测性能

响应度(R)和外量子效率(EQE)是衡量光电探测器性能的重要参数,分别通过以下公式计算:

R=Iph/PS

(1)

EQE=hcR/eλ

(2)

式中:Iph是光电流;P是入射光功率密度;S是光电探测器有效面积;h是普朗克常数;c是光速;e是单位电荷;λ是入射光的波长[26]。图4(e)和4(f)分别展示了器件响应度和外量子效率与入射光波长之间的关系,可以看出, 入射光波长从650 nm减小到600 nm时,器件的响应度和外量子效率都有明显提升。二维GaSe的禁带宽度约为2.0 eV,其本征吸收长波限约为620 nm。当入射光波长从650 nm减小到600 nm时,入射的光子可以将价带的电子激发到导带,产生更多载流子,使器件的光电流迅速上升, 响应度和外量子效率得以明显提高。在450 nm波长光照射时,器件的响应度为68.3 mA/W,外量子效率为18.8%。光电探测器对300 nm紫外光展示了最高的响应能力,响应度为440.9 mA/W,外量子效率为176.6%。

为了探索电极间距对光电探测器性能的影响,在3 μm间距电极上通过定向转移技术放置一片二维GaSe,制成了另一个光电探测器,对器件的光电探测性能进行系统测试,结果见图5。图5(a)内插图为器件的光学显微镜图像,可以看到二维材料厚度均一,器件有效探测面积约为48 μm2。图5(a)是黑暗和分别照射450、488、635 nm波长光时器件的I-V曲线,电流和电压之间关系近似为线性,也说明二维材料与电极形成了较好的欧姆接触,器件对入射光均有光响应。图5(b)展示该光电探测器同样可以高效、稳定、可重复对不同波长光进行探测。同样,器件在450 nm波长光照下的照光电流最大,约为97 pA,暗电流约为3 pA,器件的开关比为32,可以看出减小电极间距能够有效增加器件的开关比。图5(c)展示器件对450 nm入射光的响应时间为320 ms,恢复时间为280 ms。图5(d)展示了该器件在450 nm光照下光电流与入射光功率密度之间的关系, 对数据拟合可得α值为0.45。图5(e)和图5(f)分别展示了该器件响应度和外量子效率与入射光波长之间的关系,同样在入射光波长从650 nm减小到600 nm时,器件的响应度和外量子效率都有明显提升。在450 nm波长光照射时,器件的响应度为144.6 mA/W,外量子效率为39.9%。光电探测器对300 nm紫外光展示了最高的响应能力,响应度为677.2 mA/W,外量子效率为271.2%。

图5 GaSe光电探测器(电极间距3 μm)探测性能

为了获得电极间距对器件开关比和响应度的影响,分别在10和20 μm间距的电极上又制作了两个GaSe光电探测器,见图6(a)和图6(b)。对器件性能进行系统检测,最终得出器件开关比随电极间距变化曲线(图6(c))以及响应度随电极间距变化曲线(图6(d))。可以看出,缩短电极间距可以有效提高器件的开关比和响应度。

根据光电导增益公式:

G=(μτV)/l2

(3)

式中:μ是载流子迁移率;τ是非平衡载流子寿命;V是器件外加电压;l是电极间距。从式(3)可以看出,缩短电极间距可以有效增大器件的光电导增益,提高光电流数值,从而改善器件的开关比和响应度。本文光电探测器性能与已报导的器件性能的对比结果见表1, 这充分说将二维GaSe转移到电极上制成光电探测器的制作流程是可行的。该方法可有效避免电极制作过程对二维材料性能产生影响,也适用于制作基于其他二维材料的新型光电探测器。

图6 GaSe光电探测器(电极间距分别为10 μm和20 μm)光学显微镜图像及电极间距对器件探测性能的影响规律

表1 光电探测器性能对比

3 结论

本文通过机械剥离的方法获得二维GaSe,研究表明二维GaSe具有直接带隙结构,禁带宽度在2.0 eV左右,具有较好的结晶质量。将获得的二维GaSe定向转移到预先制好的金属电极上制成光电探测器。器件拥有较快的响应速度(～300 ms)、较高的开关比(～32)。入射光波长从650 nm减小到600 nm时,器件的响应度和外量子效率都有明显提升。在450 nm波长光照射时,器件的响应度为144.6 mA/W,外量子效率为39.9%。光电探测器对300 nm紫外光展示了最高的响应能力,响应度为677.2 mA/W,外量子效率为271.2%。器件电极间距缩短能有效提升器件的响应度和开关比。结果表明,将二维GaSe转移到电极上制成光电探测器的工艺流程是可行的,适用于制作新型二维材料基光电探测器。