电子科大在高性能可见-近红外宽光谱探测器方面取得进展

摘要：通过化学气相沉积可控制备出不同长宽比的硒氧铋纳米晶体，基于合适宽度纳米带结构，并在敏感层与电极之间引入肖特基接触，成功制备出低噪声快速响应的宽光谱光电探测器。

关键词：低维Bi₂O₂Se晶体，光电探测器，低噪声，快速响应

低维硒氧铋（Bi₂O₂Se）由于其合适的电子带隙 (≈0.8 eV）、高载流子迁移率(300 K时≈450 cm² V⁻¹ s⁻¹）、良好的空气稳定性和环境无毒性，使其成为可见–近红外光电探测的理想选择。然而，其高载流子浓度导致基于Bi₂O₂Se纳米片的探测器存在较大暗电流。为了解决这个问题，此前的研究主要通过栅极电压调节和构建异质结构来限制暗电流。但施加极高的栅极电压增加了器件的功耗，构建异质结构增加了工艺的复杂性。此外，所报道的Bi₂O₂Se光电探测器在近红外波段较慢的响应速度（毫秒级），限制了其在高速检测中的应用。作者针对这上述问题构建了Au/Bi₂O₂Se Nanoribbon/Au结构，成功制备了高性能的光电探测器：通过纳米带结构极大地限制器件的暗电流，Au/Bi₂O₂Se之间的肖特基势垒极大地提升光响应速度。

具体而言，通过化学气相沉积可控制备了不同宽度的Bi₂O₂Se纳米晶体。相比于纳米片（宽度W>5μm）结构，纳米线(W<1μm)和纳米带(1μm结构需要更低的沉积温度和压强，同时它们的生长取向仅存在三个角度（互为60°），这与云母衬底K原子对Se原子因静电作用而产生的约束相关。基于不同宽度Bi₂O₂Se纳米晶体制备了光电导探测器，宽度分别为0.5μm、3μm和18 μm，实验结果验证了宽度为3 μm的纳米带光电导器件拥有更好的探测性能：纳米带探测器的暗电流相比纳米片探测器下降四个数量级，而亮电流仅下降一个数量级。即纳米带器件的信噪比比纳米片器件高三个数量级。而对于纳米线器件，在暗电流下降的同时引起了光电流的急剧下降，对器件性能提升不大。因此，Bi₂O₂Se纳米带被认为是更有可能实现高性能探测的材料平台。此外，通过Au/Bi₂O₂Se Nanoribbon/Au结构实现了肖特基接触，极大地提升了响应速度。得益于肖特基势垒区高强度电场，产生在这一局部区域地光生载流子迅速漂移至电极形成光生电流，这要比欧姆接触型器件中均一分布的电场拥有更高的载流子解离效率和漂移速度。器件在405nm-1550nm表现出较高的探测性能，最佳响应度、比探测率和-3dB带宽分别达到了3.27×10⁵ A/W、3.28×10¹³ Jones和81 kHz，在1550nm近红外波段，上升时间和下降时间分别为313μs和229μs。

相关结果以“High-Performance Visible to Near-Infrared Broadband Bi₂O₂Se Nanoribbon Photodetectors”为题发表在Advanced Optical Materials上（DOI: 10.1002/ adom.202201396）。文章第一作者为电子科技大学硕士生魏于超，通讯作者为其导师陈超副研究员和王军教授，此研究得到了国家自然科学基金项目（Nos. 61922022, 61875031, 62104026）支持。