西交大李强团队：剥离-自组装法制备的大面积hBN薄膜用于真空紫外光电探测器

深紫外光电探测器在火焰探测、紫外通信等领域有着广泛的应用。六方氮化硼（hBN）是一种超宽禁带半导体，其禁带宽度为5.9 eV，对深紫外光具有天然的吸收能力和高的吸收系数。此外，hBN稳定的物理化学性质、优异的热学使其成为制备深紫外光电探测器的理想材料。然而，目前制备大面积hBN薄膜通常需要超高的温度、特定的气体氛围和特殊处理的衬底等各种严苛条件，使大面积hBN薄膜的获取是低效和高成本的，限制了hBN在真空紫外光电探测器件上的应用。

西安交通大学电子科学与工程学李强团队提出了剥离-自组装的方法制备了大面积hBN薄膜，并进行了光电探测器的制备与器件工作机制的研究。

该思路是基于hBN特有的二维材料特性，通过超声的方式打破hBN晶体粉末中层与层之间的范德华力，从而获得少层的hBN纳米片（BNNSs），利用离心的方法将BNNSs与未超声未完全的hBN粉末分离。然而，小尺寸的BNNSs在器件制备过程中面临着电极制备困难的问题，因此，团队人员通过自组装法将制备的BNNSs组装成膜，可转移至其他衬底上作为光敏层，进行光电探测器的制备。目前，已经实现了2英寸薄膜转移至蓝宝石衬底。该方法提高了制备hBN薄膜的效率、降低了薄膜制备的成本。

图1 BNNSs及自组装薄膜的电镜图

与连续的hBN薄膜不同的是，该自组装BNNS薄膜是由许多小尺寸的BNNSs拼接而成，每个BNNS-BNNS接触界面由于晶界散射和表面态的原因会形成表面空间电荷区，在接触的位置形成结势垒，而电子在传输的过程中需要“跨过”该结势垒。在BNNS薄膜中存在大量的结势垒，结势垒主导了薄膜的电导率。而在光照下，光生载流子会削弱BNNS的表面空间电荷区，使得接触界面的结势垒的高度降低，从而提高薄膜的电导率，这便是“光诱导结势垒高度降低”的工作原理。

对此，李强团队提出调控结势垒数量的方法来调控薄膜的电导率，具体通过调控BNNS尺寸的大小。换而言之，在相同电极间距间，BNNS的尺寸越大，结势垒的数量将会越少，如图2所示。

图2 BNNS尺寸调控结势垒数量示意图

团队人员基于不同尺寸BNNSs组装了薄膜，并测试了薄膜的暗电流。结果如图3所示，尺寸越大的BNNSs暗电流越低，这是因为尺寸越大的BNNS组成的薄膜结势垒数量更少，消耗的电子数量越小。图3展示了由不同尺寸BNNSs组成的薄膜光电探测器的暗电流和光电流I-V曲线，其中BNNS的尺寸PD1 < PD2 < PD3。结果显示PD1具有超低的暗电流，在80 V的电压下只有0.27 pA，器件对185 nm波长的真空紫外光响应度为1.09 mA/W、探测率为3.42×10¹¹ Jones。另一方面，对于结势垒主导电导率的光电探测器，光照对器件势垒高度的降低和导电性的提升目前仍缺少一种科学的方法来进行衡量。对此，团队提出利用MSM型双肖特基结的电流-电压关系对器件的I-V进行分析（式1），提取出器件在光照前后的电学参数，并绘制3个器件对应的能带图。以PD 1为例，光照后势垒高度降低了~ 0.21 eV，串联电阻为光照前的0.14%，势垒高度和串联电阻均得到了大幅的降低。

图3 不同PD的I-V曲线和光照前后能带图

图4 器件的光响应特性表征

为了探索BNNS薄膜作为柔性电子器件的潜力以及评估BNNS薄膜光电探测器的可靠性，团队成员利用BNNS薄膜制备了柔性光电探测器。图5展示了柔性器件在黑暗和185 nm光照下的I-V特性，在80 V电压下光电流值约为1.4 nA。器件的响应度和探测率分别为0.86 mA/W 和 2.12×10¹¹ Jones。器件在五种不同弯曲程度下的光开关响应稳定。在不同弯曲状态，光暗电流处于同一水平，证明了该器件具有高的稳定性和柔韧性。在弯曲200次的过程中，器件的光电流和暗电流波动的范围很小，展现出良好的机械强度。在200个弯曲周期后，器件仍旧表现出快的响应时间，上升和恢复时间分别21.28 ms/25.15 ms。

图5 BNNS柔性器件的探测性能

团队所制备的探测器与其他hBN光电探测器相比，BNNS薄膜光电探测器具有暗电流超低、探测率高、响应速度快等特点。这种高性能十分适合在弱光检测、高频或高速器件中应用。更重要的是，该技术路线是以一种低成本、高效率的方式制备大面积hBN薄膜，为制备基于 hBN 的光电探测器阵列、探测成像和集成器件奠定了基础。然而，目前该器件的响应度还有待提升，在今后的研究中，可以通过加入表面等离子体结构或带有分布式布拉格反射器（DBR）的谐振腔来提高该性能。

研究团队 | 作者

酥鱼 | 编辑