GaAs基低维光电探测器的表界面调控及性能提升
低维砷化镓(GaAs)由于具有尺寸小、表面体积比大、载流子迁移率高和直接带隙的特性，是制备红外半导体光电子器件的重要材料，引起研究人员的极大兴趣。但是由于低维GaAs材料具有大量的悬挂键，以及表面氧化引入了较高的表面态，导致其非辐射复合效率高、暗电流较大，严重限制了其光电性能，本文将重点研究低维材料表面态对光电子器件性能的影响。利用分子束外延技术和化学剥离技术分别制备GaAs纳米线(NWs)和GaAs二维非层状薄片(2DNLSs)，以其为基础构建了不同结构的低维光电探测器，分别通过消除表面态或有效利用表面态提高了光电探测器的性能，具体的研究内容如下： (1)通过硫钝化和等离子体处理来消除GaAs2DNLS的表面态，采用X射线光电子能谱技术分析处理前后GaAs2DNLS表面元素状态的变化，研究表明，经过硫钝化和等离子体处理后的样品，其表面的天然氧化物被消除，表明GaAs2DNLS的表面态被有效的去除。通过对GaAs2DNLS探测器进行I-V测试，发现钝化处理后器件的暗电流被降低，这归因于其表面态密度的降低。硫钝化后探测器在8V偏压时的响应度为1.49A/W，比原器件提高了13.5倍。同时，研究还发现等离子体处理技术也可实现与硫钝化基本相同的性能提升效果。 (2)通过消除表面态虽然提高了探测器的响应度，但是同时降低了响应速度；此外，钝化后的表面态在空气中仍然会慢慢恢复，消除表面态并不是改善低维探测性能的最佳方式。因此，在本部分工作中，我们提出一种有效利用表面态的策略，利用表面态所导致的能弯曲构造特殊的能带结构，将不利的表面态转变为界面态，使探测器的响应度和响应速度同时得到提升。利用GaAsNW和GaAs2DNLS构建混合维GaAs基光电探测器，根据肖特基热电子发射理论，在GaAsNW和GaAs2DNLS的界面处形成具有电子阱的特殊能带结构，该结构作为电子传输通道，将有效的提高探测器的响应度和响应速度。对其进行I-V特性测试，所有的I-V曲线都表现出双阈值特性；该探测器的响应度和探测率在25V电压下分别达到了667A/W和8.69×1012Jones，这是由于特殊的能带结构增加了光生载流子的分离效率；该探测器的上升和下降时间分别降低到6ms和8ms，这归因于界面处的电子阱作为传输通道加速了电子的传输。我们测试了该探测器在不同气氛下的稳定性，表明由表面态构建的界面不受工作环境的影响。 (3)为了进一步证明探测器性能的提升来源于表面态形成的特殊能带结构，我们采用0.2%的(NH4)2S溶液钝化该混合维GaAs基器件。如果低维材料的表面态被消除，那么器件的特殊能带结构也会消失，探测器的性能将会下降。在钝化前后，8V电压下探测器的响应度分别为46.3A/W和24A/W，表明钝化后该探测器的响应度降低了48%，这是因为钝化后界面处的电子阱被削弱，降低了载流子的分离效率。同时，该探测器钝化前后的上升时间分别为4.7ms和210ms，这是由于硫钝化导致电子阱的消失，电子传输通道不复存在，电子传输不能被有效加速。 本论文的研究通过硫钝化和等离子体处理降低了GaAs2DNLS的表面态，提高了GaAs2DNLS探测器的响应度。又通过构建混合维GaAs基光电探测器，利用表面态形成独特的能带结构，大幅提高了探测器的响应度和响应速度，为低维材料表面态的利用提供了有效途径。
光电探测器;砷化镓;硫钝化;等离子体处理;表面态;低维探测性能
长春理工大学
硕士
电子科学与技术
王登魁
2022
中文
TN382;TN304.2:TN304.05
2023-02-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）