封面 | 光生载流子的“鹊桥会”——基于II型异质结构实现快速紫外光电探测

本文为中国激光第2604篇。欢迎点击在看、转发，让更多人看到。

封面解读

封面借用“牛郎织女七夕鹊桥相会”展示了CdSe量子点修饰ZnO微米线在紫外光照射下实现快速紫外光电响应的过程。其中“鹊桥”表示CdSe量子点修饰的ZnO微米线，白色和黑色喜鹊分别代表电子和空穴向ZnO微米线（灰色桥体）和CdSe量子点（紫红色桥体）转移。

文章链接：孙立奇, 王登魁, 房丹, 方铉, 张振中, 杨丹, 楚学影, 李超群, 魏志鹏. CdSe量子点修饰ZnO微米线快速响应的紫外光电探测器[J]. 中国激光, 2022, 49(13): 1303001

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背景介绍

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ZnO是一种典型的宽禁带半导体材料，具有相对较高的紫外吸收系数和电子迁移率，已成为紫外探测器的理想材料。同时，ZnO具备很好的抗辐射能力，能够在各种环境下进行稳定工作。

但是，ZnO表面存在着大量悬挂键和表面态等缺陷。在光照时，表面缺陷作为陷阱态会捕获光生载流子，这会产生严重的持续光电导效应，增加探测器的上升下降时间，极大地阻碍了ZnO光电探测器的性能。

通过量子点对ZnO进行表面修饰是提高探测器性能的重要方法。CdSe量子点具有带隙可调、电子输运可控、能带结构匹配和制备工艺简单等特性，采用CdSe量子点修饰ZnO光电探测器，对于提高光电探测器的响应性能具有重要意义。

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创新工作

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长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室王登魁副研究员团队采用化学气相沉积技术和快速热注入法分别合成ZnO微米线和CdSe量子点，并将CdSe量子点修饰在ZnO微米线表面以制备CdSe量子点修饰ZnO微米线紫外光电探测器。通过CdSe量子点的修饰，在ZnO微米线与表面修饰的CdSe量子点之间构成II型异质结构（图1）。

异质结的界面处存在内建电场，在内建电场的作用下，电子向ZnO微米线表面迁移，空穴向CdSe量子点迁移，加快了光生载流子的分离，进而促使探测器的响应性能得到显著提高。

图1 CdSe量子点修饰ZnO微米线能带结构示意图

实验测得，CdSe量子点修饰ZnO微米线紫外光电探测器的最大响应度为10.5 mA/W，较ZnO 微米线测器响应度提高了6倍。同时，探测器的响应时间也大幅缩短，上升和下降时间分别缩短了87.7%和76.2%。图2为CdSe量子点修饰前后探测器响应时间的对比图。

图2 CdSe量子点修饰ZnO微米线前后探测器的响应时间。（a）ZnO微米线光电探测的响应时间；（b）CdSe量子点修饰ZnO微米线光电探测器的响应时间

为了研究退火对CdSe量子点修饰的ZnO微米线探测器光电性能的影响，将CdSe量子点修饰的ZnO微米线在Ar气氛下600 ℃退火30 min。图3为退火前后CdSe量子点修饰ZnO微米线光电探测器的光暗电流随温度变化的曲线图。

图3 退火前后CdSe量子点修饰ZnO 微米线光电探测器的光和暗电流随温度变化的曲线图

退火前，随着温度升高，ZnO表面吸附的氧分子获得能量从表面解吸并释放自由电子，自由电子浓度的提高促使光电流逐渐上升。退火处理可显著改善ZnO微米线的结晶质量，进而促进电子空穴对的转移，使光电流显著提高。然而，随着温度的继续升高，光电流因声子散射的不断加剧而缓慢下降。

因此，通过退火处理可以显著改善光电探测器的光电响应性能及光响应速度，且在200 K时，探测器获得最佳的光电性能。

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总结与展望

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课题组通过CdSe量子点对ZnO微米线表面修饰，显著提高了ZnO基光电探测器的响应性能。利用II型异质结构及表面钝化的工作原理，探测器的响应时间得到大幅缩短，证明了CdSe量子点的修饰对于提高ZnO基光电探测器的性能具有重要作用。

CdSe量子点的量子效应可以实现能带的调制及在可见光不同波长范围内的光谱响应，基于此，课题组下一步预计将制备的不同尺寸的CdSe量子点与ZnO微米线相结合，利用II异质结构的电子输运机制，实现探测器的紫外-可见多波长光电探测性能。

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课题组简介

长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室王登魁副研究员团队主要致力于低维半导体光电子材料与器件研究工作，团队以实现高性能的发光及探测器件为目标，利用表面修饰、金属掺杂、等离子体增强等方式提升材料和器件性能。在II-VI族宽禁带半导体探测器、发光二极管及III-V族红外半导体材料等方面取得了创新性研究成果。近五年承担包含国家自然科学基金在内的科研项目10余项，发表学术论文50余篇，获吉林省科技进步一等奖1项。

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通信作者简介

王登魁，副研究员，现工作于长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，研究方向为紫外和红外半导体光电子材料与器件。围绕II-V族和III-V族低维半导体激光和探测器件，从结构设计、材料外延和器件应用三个方面开展研究工作，取得了一系列重要的研究成果。近三年来，在《中国激光》等国内外知名学术期刊上发表论文10余篇。主持国家自然科学基金1项，省部级项目4项。

科学编辑 | 孙立奇

编辑 | 沈灵灵

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