北邮唐为华教授课题组《ACS AMI》:利用spiro作为日盲紫外波段的透光层来构建p-i-n型光电探测器

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自供电日盲紫外光电探测器在民用和军事领域有大量的应用。氧化镓（Ga₂O₃）半导体材料由于具有适中的禁带宽度，因而非常适合用于日盲紫外探测。然而，之前报道的大多数氧化镓自供电紫外光电探测器的光电响应度都较低，很难满足实际使用的需求。
北京邮电大学唐为华教授课题组在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了题为“A Spiro-MeOTAD/Ga2O3/Si p‑i‑n Junction Featuring Enhanced Self-Powered Solar-Blind Sensing via Balancing Absorption of Photons and Separation of Photogenerated Carriers”的文章（DOI：10.1021/acsami.1c18229）。为提高氧化镓自供电日盲紫外光电探测器的响应度，该课题组提出利用spiro-MeOTAD (spiro)作为日盲紫外波段的透光层来构建p-i-n型（p-spiro/Ga₂O₃/n-Si）光电探测器。借助于双内建电场的作用，制备的器件可以在无外加电源的情况下运行。进一步地，通过改变spiro层的厚度，进而调控吸收光子数和光生载流子的分离能力，最终得到最佳spiro厚度、最优性能的探测器件。在光强仅为2 μW/cm²的254 nm紫外光辐照下，该器件在0 V下具有192 mA/W的高响应度。另外，探测器在较低的偏压下，电流-时间响应曲线展示了二进制特性和四阶段光电响应行为。这项工作为高效能光电探测器件的发展提供了新的思路。 
图1氧化镓薄膜的（a）GIXRD图;（b）SEM图;（c）AFM图;（d）紫外-可见光谱，插图为计算所得的带隙值;（e）O 1s和Ga 2p的XPS能谱;（f）不同厚度spiro层的透过率。 
图2（a）器件示意图；（b-f）具有不同厚度spiro层的探测器的电流-电压曲线，插图为对应器件的SEM横截面图。 
图3（a）器件的能带示意图和等效电路图：氧化镓吸收光子产生光生载流子，随后在内建电场的作用下分离并输运至外电路；（b）不同厚度spiro层的器件在光强为1 mW/cm²的紫外光辐照下的电流-电压特性；（c）spiro层的厚度、不同厚度spiro层的透过率、对器件的开路电压和短路电流的影响；（d）0 V下，不同厚度spiro层的器件在相同光辐照下的电流瞬时响应曲线，其中具有最薄spiro层的D1器件具有明显的过冲现象，说明其吸收的光子较多，但是光生电子空穴对分离效率较差，因而载流子无法及时被输运至外电路所致；（e）在施加5 V偏压时，不同器件的瞬时响应特性，器件光电流随着spiro层的厚度变厚而减小,此时，吸收的光子数是决定器件性能的最重要因素。
 
图4 具有最佳spiro厚度的D3器件在不同光强下的（a）电流-电压特性曲线；（b）瞬时光响应特性；（c）D3器件在光强为10 μW/cm² 的电流-电压曲线；（d）D3在不同电压下的瞬时响应，在0.6 V的正偏压下，器件具有二进制光响应；（e）D3在0.6 V偏压下的四阶段瞬时光响应特性，主要归因于器件内部存在两种不同方向的电流所致。

 
图5 D3在自供电模式下，（a）不同光强下的响应度、外量子效应、探测度性能；（b）光谱响应。 北京邮电大学在读博士生晏祖勇为该论文的第一作者，通讯作者为唐为华教授。该工作得到了国家自然科学基金的大力支持。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c18229

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