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信电学院在硅光电探测器领域取得新的研究进展

编辑:xdx 日期:2018-01-11 08:08 访问次数:1412

2017122-6日在美国旧金山召开的IEDM会议上我院的 徐杨教授 做了高性能硅基紫外红外光电探测器方面研究的相关报告。徐杨教授与ZJU-UIUC联合学院、硅材料国家重点实验室、清华大学和中科院技物所开展合作,在图像传感器方向,也取得了新的研究进展。“超薄硅石墨烯MSM柔性紫外图像传感器”和“石墨烯/硼高掺杂硅量子点/硅基肖特基PN结型短波红外光电探测器”的工作,发表于国际电子器件会议“2017 IEEE IEDM”上。IEEE Spectrum 新闻网站报道了其中柔性紫外图像传感器的研究结果;徐杨老师也入选为 2018 IEEE Electron Devices Technology and Manufacturing Conference 的委员会委员(committee member)

     
图1. 徐杨老师课题组成员于2017 IEDM会议上做了相关报告;IEEE Spectrum新闻网站对此项研究工作也进行了特别报道:https://spectrum.ieee.org/tech-talk/semiconductors/optoelectr onics/flexible-uv-imagers-for-drones;之前的光电探测器工作做为内插页封面发表在了Advanced Materials 上。
 
   

    由于成熟的硅材料生长技术、CMOS器件工艺,硅被广泛的应用于各类电子科技产品中。可是,由于硅不能有效的吸收深紫外光,仅依靠硅单一方式制备器件,很难解决目前探测领域的核心问题。制备出新一代更高性能的硅基探测器件是我们面临的挑战。石墨烯的特殊能带结构,使其从深紫外到太赫兹宽光谱范围高速转换光电信号成为可能。因此,我们通过将传统硅半导体结构及工艺与石墨烯二维材料相结合,提出了一种新型超薄硅/石墨烯柔性紫外光电探测器,如图2所示。与现有的GaN和SiC肖特基结型探测器相比表现出了较好的性能:探测率(1010 Jones),响应时间(1 µs),以及102的紫外/可见光抑制比。器件是半透明的,在弯曲1000次后仍能保持性能稳定。此外还展示了探测器的紫外成像能力。[1]

 
2. (a) PDMS辅助转移超薄硅到柔性PI衬底; (b-f) 器件制备示意图; (g) PI衬底上器件阵列的实物图。
 
 
   

    此外,由于硅禁带的特点,在短波红外的光电响应较弱,一直以来基于Ge和InGaAs的光电探测器占据着红外波段的应用市场。然而由于它们复杂的高温工艺,不兼容传统硅工艺,成本昂贵等因素应用受到限制。将新材料与硅结合的方式,我们提出了一种与传统硅工艺兼容的新型红外光电探测器。可以探测800到1870nm波段的红外光,且具有高的探测度(1011 Jones)和灵敏度(10-13 W/Hz0.5)。充分利用了光生载流子在硅量子点和石墨烯之间的快速转移,以及可调的硅/石墨烯肖特基结,从而实现了一种基于肖特基-PN结的级连光电探测器。[2]

   该研究小组一直致力于将二维材料融入硅光电探测器制造的理念,即“硅+2D”的策略,这一系列的合作成果,前期已分别发表在Nature Communications, Advanced Materials和ACS Nano等期刊上,[3-13] 为探索未来硅光电探测器件方向提出了新的思路。

   这些工作得到了国家自然科学基金(项目号:61674127,61474099),浙江省自然科学基金(项目号:LZ17F040001), 浙江省先进微纳电子器件智能系统及应用重点实验室, ZJU-UIUC联合学院,和硅材料国家重点实验室的支持与资助。

   此系列的交叉学科研究在开展过程中还得到了俞滨、李尔平、陈红胜、杨建义、骆季奎、尹文言和杨德仁等教授与其团队的热心帮助, 尤其是在器件结构电容与电阻优化设计(程志渊、杨冬晓、董树荣、李宇波),柔性电子器件性能分析(陈伟球、曲绍兴、宋吉舟)、高质量石墨烯/硅肖特基结工艺流片(戴道锌、朱大中、王曦)、CVD单晶石墨烯合成与高质量转移(王宏涛、赵沛)、量子点合成与表征(皮孝东、彭笑刚)、ALD原子沉积(周强)、石墨烯等离子体刻蚀(林时胜),薄膜溅射(叶志、金浩)、高质量SiN和SiO2 PECVD薄膜沉积(赵毅、刘旸)、高分辨电子显微镜HRTEM和SEM表征(金传洪、王勇)、电子束光刻(仇旻、李强)、FTIR(樊先平、乔旭升)、Raman 表征(谭平恒)、 KPFM表面功函数分析(金一政)、 DLTS缺陷态深能级分析(余学功、马向阳)、ps皮秒激光脉冲光路搭建(阮智超、吴锡东、郝然)、GHz高速光电测试与斩波器调制(金晓峰、章献民、余辉、江晓清、李宇波)、STM 表征分析、UV-Vis-NIR、锁相放大器(谢金)、低温测试、光电探测器件阵列芯片封装(朱大中)、外围低频滤波与低噪声跨阻放大电路与测试(韩雁、赵毅、汪小知、虞小鹏)等方面的指导与建议,在此表示衷心感谢。

 

 

[1]   A. Ali, K. Shehzad, H. Guo, Z. Wang, P. Wang, A. Qadir, W. Hu, T. Ren, B. Yu and Yang Xu*, “High-Performance, Flexible Graphene/Ultra-thin Silicon Ultra-Violet Image Sensor”, IEDM 8.6, 2017.

[2]   S. Du, Z. Ni, X. Liu, H. Guo, A. Ali, Yang Xu* and Xiaodong Pi*, “Graphene/Silicon-Quantum-Dots/Si Schottky-PN Cascade Heterojunction for Short-Wavelength Infrared Photodetection”, IEDM 8.7, 2017.

[3]       X. Wan, Yang Xu*, H. Guo, K. Shehzad, A. Ali, Y. Liu, J. Yang, D. Dai, C.-T. Lin, L. Liu, H.-C. Cheng, F. Wang, X. Wang, H. Lu, W. Hu, X. Pi, Y. Dan, J. Luo, T. Hasan, X. Duan, X. Li, J. Xu, D. Yang, T. Ren and B. Yu, "A self-powered high-performance graphene/silicon ultraviolet photodetector with ultra-shallow junction: breaking the limit of silicon?" npj 2D Materials and Applications 1(1): 4, 2017.

[4]       T. Yu, F. Wang, Yang Xu*, L. Ma, Xiaodong Pi*, Deren Yang*, "Graphene Coupled with Silicon Quantum Dots for High-Performance Bulk-Silicon-Based Schottky-Junction Photodetectors." Advanced Materials 28(24): 4912-4919, 2016.

[5]        Z. Ni, L. Ma, S. Du, Yang Xu*, M. Yuan, H. Fang, Z. Wang, M. Xu, D. Li, J. Yang, W. Hu, Xiaodong Pi* and Deren Yang*, "Plasmonic Silicon Quantum Dots Enabled High-Sensitivity Ultrabroadband Photodetection of Graphene-Based Hybrid Phototransistors." ACS Nano 11(10): 9854-9862, 2017.

[6]       G. Hu, T. Albrow-Owen, X. Jin, A. Ali, Y. Hu, R. C. T. Howe, K. Shehzad, Z. Yang, X. Zhu, R. I. Woodward, T.-C. Wu, H. Jussila, J.-B. Wu, P. Peng, P.-H. Tan, Z. Sun, E. J. R. Kelleher, Meng Zhang*, Yang Xu* and Tawfique Hasan*, "Black phosphorus ink formulation for inkjet printing of optoelectronics and photonics." Nature Communications 8(1): 278, 2017.

[7]       S. Du, W. Lu, A. Ali, P. Zhao, K. Shehzad, H. Guo, L. Ma, X. Liu, X. Pi, P. Wang, H. Fang, Z. Xu, C. Gao, Y. Dan, P. Tan, H. Wang, C.-T. Lin, J. Yang, S. Dong, Z. Cheng, E. Li, W. Yin, J. Luo, Bin Yu, T. Hasan, Yang Xu*, Weida Hu* and X. Duan, "A Broadband Fluorographene Photodetector." Advanced Materials 29(22): 1700463, 2017.

[8]       Yang Xu*, A. Ali, K. Shehzad, N. Meng, M. Xu, Y. Zhang, X. Wang, C. Jin, H. Wang, Y. Guo, Z. Yang, B. Yu, Y. Liu, Q. He, X. Duan, X. Wang, P.-H. Tan, W. Hu, H. Lu and Tawfique Hasan*, "Solvent-Based Soft-Patterning of Graphene Lateral Heterostructures for Broadband High-Speed Metal–Semiconductor–Metal Photodetectors." Advanced Materials Technologies 2(2): 1600241, 2017.

 

[9]        K. Shehzad, T. Shi, A. Qadir, X. Wan, H. Guo, A. Ali, W. Xuan, H. Xu, Z. Gu, X. Peng, J. Xie, L. Sun, Q. He, Z. Xu, C. Gao, Y.-S. Rim, Y. Dan, T. Hasan, P. Tan, E. Li, W. Yin, Z. Cheng, B. Yu, Yang Xu*, J. Luo and X. Duan, "Designing an Efficient Multimode Environmental Sensor Based on Graphene–Silicon Heterojunction." Advanced Materials Technologies: 1600262, 2017.

 

[10]      S. Chen, X. Liu, X. Qiao, X. Wan, K. Shehzad, X. Zhang, Yang Xu* and Xianping Fan*, "Facile Synthesis of γ-In2Se3 Nanoflowers toward High Performance Self-Powered Broadband γ-In2Se3/Si Heterojunction Photodiode." Small 1604033, 2017.

[11]     K. Shehzad, Yang Xu*, C. Gao and X. Duan, "Three-dimensional macro-structures of two-dimensional nanomaterials." Chemical Society Reviews 45(20): 5541-5588, 2016.

 

[12]     Yang Xu*, C. Cheng, S. Du, J. Yang, B. Yu, J. Luo, W. Yin, E. Li, S. Dong, P. Ye and X. Duan, "Contacts between Two- and Three-Dimensional Materials: Ohmic, Schottky, and p–n Heterojunctions." ACS Nano 10(5): 4895-4919, 2016.

[13] Kuei-Lin Chiu* and Yang Xu*, "Single-electron transport in graphene-like nanostructures." Physics Reports 669: 1-42, 2017.