导读
近日，湖南大学胡伟教授团队成功研制了高性能、宽频带异质结光电探测器。该异质结构器件基于均匀且无针孔的钙钛矿薄膜，该薄膜镶嵌于单晶锗层上；与单一材料的光电探测器相比，钙钛矿/锗光电探测器表现出更强的性能和更宽的光谱特性。相关成果以“Germanium/perovskite heterostructure for high-performance and broadband photodetector from visible to infrared telecommunication band”为题近日发表在《Light: Science & Applications》上。
光电探测器(PD)是一种广泛用于将光信号转换成电信号的光电器件。其中光子响应谱是光电探测器应用的关键。这种特性通常由器件中半导体活性层的带隙决定。宽带光电探测器可以探测可见光到红外的光谱，在成像传感器、光通信、环境监测和土木工程等领域具有非常重要的应用。然而，单一半导体作为光探测器的活性层，很难实现更宽的响应谱。例如，无机半导体锗(Ge)被用于构建光互连和光电子集成电路(OEICs)中光检测的关键组件。它在红外波段具有独特的光电特性，并且与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术具有良好的工艺兼容性。不幸的是，目前的研究结果表明，锗在可见光光谱中具有极差的响应性能。导致这一问题的主要原因是锗薄膜的可见光穿透长度短，光生载流子收集效率低(称为“死区效应”)。这些限制阻碍了可见光通信的发展，更不用说在宽带吸收方面的应用。
为了克服上述问题，近几十年来，人们在异质结器件的构建上做了大量的工作。许多不同种类的材料，包括层状材料如石墨烯和MoS2、无机和有机半导体材料如PbS、ZnO、PDPP3T和Si等。虽然石墨烯/Bi2Te3异质结构光电探测器在532到1550 nm波长范围内显示出宽带响应。然而，它在响应谱上的响应率却很低，特别是在近红外光谱(在1550 nm时只有0.22 A/W )。钙钛矿/ MoS2基光电探测器由于两层薄膜带隙的限制，只能检测可见光。目前，有限的响应谱，较低的性能，高工作电压和在低温时兼容性差等问题已成为异质结光电探测器结构的主要关注点。这些问题严重阻碍了其商业化应用。近年来，一系列有机-无机杂化钙钛矿得到了广泛的关注。在光电器件研究领域。其中三碘化亚甲基铵(CH3NH3PbI3)是具有代表性的一种。虽然用该材料制备的光电探测器具有良好的性能，但是它们无法吸收红外光谱中的光子。
研究人员详细研究了该器件从可见光到近红外光谱范围的光子响应特性。在1550 nm的光纤通信波长时，异质结器件的最高响应率为1.4 A/W。由于采用了一种抗反射钙钛矿涂层，该涂层在通信波段的厚度为150 nm，从而提高了性能。此外，在680 nm的可见光波长下，该器件的响应度和探测率分别为228 A/W和1.6×1010 Jones。这些优异的性能归功于异质结构器件中光导增益的提高。该团队提出的异质结光电探测器为从可见光到光通信领域的广谱光检测提供了一种强有力的检测方法。基于其优异的可见光到近红外光谱的光探测和捕获能力，设计的锗/钙钛矿异质结构为新型光电器件提供了新的构件。其高性能在广谱光检测、紫外-可见或光通信、串联太阳能电池和下一代光电器件等领域具有巨大的应用潜力。
图1 锗/钙钛矿异质结器件制造工艺示意图
图2 1550 nm通信波段下在锗上镀一层优化后的抗反射涂层钙钛矿薄膜
图3 优化后的异质结光电探测器在红外光谱中的性能
图4 异质结光电探测器在可见光光谱中的性能
图5 锗/钙钛矿异质结光电探测器的能带模型和光学特性
文章链接
https://doi.org/10.1038/s41377-019-0218-y
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