Нанопленки Bi₂O₂Se обеспечивают исключительное фотоопределение в ближнем ИК: ответственность 101 А/В, время отклика 30 мс, КВЭ 20 300%

Аннотация

В работе систематически изучены фотоэлектрические свойства многослойных нанопленок Bi₂O₂Se в ближнем инфракрасном (БИК) диапазоне. Многослойные нанопленки Bi₂O₂Se демонстрируют чувствительный фотоотклик в БИК, включая высокую фотоответственность (~101 А/В), быстрое время отклика (~30 мс), высокую внешнюю квантовую эффективность (~20 300%) и высокую детектируемость (1,9×10¹⁰ Джонс). Результаты показывают, что приборы на основе многослойных нанопленок Bi₂O₂Se могут иметь большой потенциал для будущих приложений в ультрабыстрых, высокочувствительных БИК оптоэлектронных приборах.

Предыстория

ИК-фотодетекторы широко изучаются с тех пор, как их тонкие приложения во военной, коммерческой, общественной и академической сферах [1–3]. За последнее десятилетие двумерные (2D) материалы — графен, дихалькогениды переходных металлов (TMDs), черный фосфор — стали перспективными кандидатами для ИК-приложений [4–9]. Благодаря увлекательным свойствам 2D материалов: ультратонкая толщина, высокая механическая гибкость, подходящая и настраиваемая запрещенная зона, ультрабыстрые оптоэлектронные характеристики, легко подстраиваемые ван-дер-ваальсовые гетероструктуры, 2D слоистые материалы считаются конкурентоспособными ИК-средами для фотодетекторов нового поколения [10–12].

Недавно слоистый бисмут оксиселинид (Bi₂O₂Se) открыт как перспективный 2D полупроводник с высокой подвижностью электронов, ультрабыстрым фотооткликом, отличной экологической стабильностью и легкой доступностью к массовому производству простым методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), что делает его привлекательным для электроники и оптоэлектроники [7, 8, 13–15]. Ранее He Jun et al. [7] и Peng Hailin et al. [8] последовательно сообщали, что Bi₂O₂Se обладает отличными фотоэлектрическими свойствами в БИК. Однако они в основном касались тонкослойного Bi₂O₂Se (толщина ~7 нм). Предыдущие исследования других 2D материалов, таких как MoS₂ [16] и MoSe₂ [17, 18], показывали, что многослойные нанохлопья также обладают выдающейся фотоэлектрической эффективностью по сравнению с однослойными или тонкослойными. На самом деле, многослойный Bi₂O₂Se может быть более привлекательным для FET-приложений в конфигурации тонкопленочного транзистора (TFT) [16, 19]. Например, плотность состояний в многослойном Bi₂O₂Se намного выше, чем в тонкослойном, что может дать значительно высокие токи управления в баллистическом пределе [13, 14]. В длинноканальных TFT множественные проводимые каналы могут быть созданы полевым эффектом в многослойном Bi₂O₂Se, что усиливает ток управления, аналогично SOI MOSFET [19]. Кроме того, многослойный Bi₂O₂Se предлагает более широкий спектральный отклик, чем тонкослойный, из-за более узкой запрещенной зоны, что выгодно для фото детекторов [20]. Однако фото детекторы на основе многослойного Bi₂O₂Se не изучались широко для электроники или оптоэлектроники.

Поэтому в работе систематически изучены фотоэлектрические свойства многослойного Bi₂O₂Se (толщина ~30 нм) в БИК. Фото детектор на многослойном Bi₂O₂Se демонстрирует ультрачувствительный фотоотклик от 850 до 1550 нм с хорошей воспроизводимостью при комнатной температуре. Фотоответственность достигает 101 А/В при 1000 нм, с быстрым временем нарастания и спада 30 и 60 мс соответственно. По сравнению с тонкослойным Bi₂O₂Se, многослойный имеет более высокую фотоответственность и внешнюю квантовую эффективность, сохраняя относительно быстрое время отклика и высокую детектируемость. Кроме того, фототок линейно зависит от падающей мощности, обеспечивая хорошую настройку для многоцелевых применений. Результаты открывают возможности для разработки следующего поколения ультрачувствительных высокопроизводительных БИК фото детекторов при комнатной температуре.

Методы

Выращивание и характеристика Bi₂O₂Se

Нанопленки Bi₂O₂Se синтезированы методом CVD. Bi₂O₃ и Bi₂Se₃ (Alfa Aesar) размещали в центре горизонтальной трубчатой печи (Lindberg/Blue M), субстраты из могиля (Tiancheng Fluorphlogopite Mica Company Ltd., Китай) помещали по течению. Печь нагревали до 640 °C со скоростью 30 °C/мин и выдерживали 60 мин в потоке аргона. Затем печь охлаждали до комнатной температуры естественным образом. Синтезированные образцы характеризовали оптической микроскопией (Olympus BX51), Рамановской спектроскопией (WiTec 300R), атомно-силовой микроскопией (полуконтактный режим, NT-MDT), сканирующей электронной микроскопией (FEI). Перед SEM 10 нм алюминия термически осаждали для предотвращения зарядного эффекта могиля.

Фабрикация прибора

Фото детектор на многослойном Bi₂O₂Se изготовлен стандартной микронанотехнологией. Источник и сток определены электронно-лучевой литографией с последующей осадкой 5 нм Cr / 50 нм Au электронно-лучевым испарением. Для предотвращения накопления заряда на могиля во время EBL проводимый полимерный фоторезист (SX AR-PC-5000) центрифугировали на могиль перед EBL. Наконец, прибор монтировали на чип-носитель для фотоэлектрических измерений.

Измерение характеристик

Измерения фототока проводились на домашней ксеноновой лампе (источник света: BETICAL HDL-II) фото детектирующей платформе. В измерениях Keithley 2450 использовался для питания смещения источник-сток. Включая/выключая свет, собирали дренажные токи в включенном/выключенном состояниях. Фотоэлектрический отклик при разных длинах волн (850–1550 нм) получали заменой фильтров.

Результаты и обсуждение

Как показано на рис. 1a, слоистый Bi₂O₂Se имеет тетрагональную структуру с пространственной группой I4/mmm, состоит из плоских ковалентно связанных оксидных слоев (Bi₂O₂), сэндвич-образно расположенных между квадратными массивами Se с относительно слабыми электростатическими взаимодействиями [21]. Такая структура похожа на могиль. Поэтому 2D нанопленки Bi₂O₂Se до сих пор синтезируются на субстрате из могиля CVD-методом [7, 14, 15]. Рис. 1b — большой площади оптический вид выросших многослойных нанопленок Bi₂O₂Se на могиле. Четко видно, что нанопленки равномерны и почти прямоугольны. AFM-изображения (рис. 1c). Согласно теоретической толщине монослоя (≈0,61 нм) [14, 15], 30 нм (рис. 1d) соответствует ~49 слоям. Рис. 1e — XRD-паттерны Bi₂O₂Se. Отчетливые пики относятся к дифракционным плоскостям (00l) Bi₂O₂Se (кристаллическая ориентация вдоль c-оси), согласуется с предыдущими работами [14]. Характеристический пик A₁g Bi₂O₂Se найден ≈159,1 см⁻¹ в Рамановском спектре (рис. 1f), в хорошем согласии с предшествующими отчетами [22]. Рис. 1g — типичная I-V кривая прибора Bi₂O₂Se. Отличная линейная I-V кривая указывает на формирование омических контактов. Кроме того, 2D фото детектор на Bi₂O₂Se демонстрирует отличную экологическую стабильность — ключевую метрику для практических применений [14, 15]. На рис. 1h измеренная длина и ширина прибора 29 мкм и 91 мкм соответственно.

Как показано на рис. 2a, фотоэлектрический отклик многослойного фото детектора Bi₂O₂Se к БИК измерен намеренно. Обсуждаем работу в телекоммуникационной полосе (1550 нм), широко применяемой в военной, коммерческой, общественной и академической сферах. На рис. 2b I_DS очевидно растет с увеличением интенсивности света. Более того, I-V кривая под освещением не демонстрирует явного напряжения открытого цепи и тока короткого замыкания. Это указывает на то, что Шоткиевский барьер между электродом и материалом не играет ключевую роль в транспортных характеристиках. Следовательно, фотоэлектрический отклик материала должен основываться преимущественно на фотопроводимом эффекте [10].

Для оценки характеристик фото детекторов критические параметры: фотоответственность (R), внешняя квантовая эффективность (η), детектируемость (D*), рассчитываемые формулами [10, 17]:

$$ R = I_{ph} / PS $$ (1)

$$ \eta(\lambda) = R_{\lambda} hc / q\lambda $$ (2)

$$ D^* = I_{ph} / P (2 q S I_d)^{1/2} $$ (3)

где I_ph — фототок (разница дренажного тока между освещенным (I_i) и темным (I_d) состояниями), P — интенсивность света, S — эффективная площадь, h — постоянная Планка, c — скорость света, λ — длина волны, q — заряд электрона. Предполагаем, что темный ток — основной вклад в шум Шоттки, выводим уравнение (3) [7]. Упрощение использовано для оценки фотоотклика 2D слоистых материалов, как графен [23] и WSe₂ [24].

С рис. 2c видно, что прибор имеет очень стабильный и воспроизводимый фотоотклик к 1550 нм после нескольких циклов. Время отклика экстремально быстро: 30 мс нарастание и 60 мс спад. Это связано с тем, что выросшие ультратонкие нанопленки Bi₂O₂Se не имеют поверхностных ловушечных состояний и мелких дефектных уровней энергии. На рис. 2d I_ph монотонно растет с P, следуя связи I~P^α. α выведено как 0,99 для Bi₂O₂Se аппроксимацией экспериментальных данных, указывая, что фототок определяется количеством поглощенных фотонов [7]. Фотоответственность многослойных фото детекторов Bi₂O₂Se ~68 А/В, демонстрируя экстремально высокую производительность.

Далее систематически изучена фотоэлектрическая характеристика многослойного фото детектора Bi₂O₂Se к БИК длинам волн (850–1550 нм). По формулам (1)–(3) фотоответственность, внешняя квантовая эффективность и детектируемость показаны на рис. 3. Прибор имеет очень высокую фотоответственность в БИК, достигающую 101 А/В (900 нм). Кроме того, обладает ультравысокой η, превышающей 20 000% при 850 нм, показывая отличную фотоэлектрическую конвертацию. Детектируемость достигает 1,9×10¹⁰ при 900 нм, показывая идеальное отношение сигнал/шум. В измерениях темный ток всегда стабилен (0,5 мкА). Поэтому тренд D* (как функция длины волны) подобен тренду R. Очевидно, по сравнению с тонкослойным Bi₂O₂Se из [7] и [8], многослойный имеет более высокую фотоответственность и внешнюю квантовую эффективность (смещение источник-сток 1 В, как в [7] и [8]), сохраняя относительно быстрое время отклика и высокую детектируемость. Заметно, [8] сообщал только внутреннее время отклика (1 пс) материала методом pump-probe, но не время отклика прибора [8].

В общем, 2D слоистые материалы еще не показывали такую высокую чувствительность в БИК. Например, TMDs обычно имеют слишком широкие запрещенные зоны для детекции ИК [17], а графен показывает высокоскоростной фотоотклик, но очень низкую внутреннюю чувствительность <десятков мА/В [25]. Хотя фотоответственность можно улучшить атомарными гетероструктурами [26–28], в БИК детекции все равно не идеально. По сравнению с другими 2D материалами (таблица 1), многослойный фото детектор Bi₂O₂Se показывает более выдающуюся фотоэлектрическую производительность, особенно высокую R и η. Заметно, если химическое травление применяется для оптимизации геометрии многослойных нанопленок Bi₂O₂Se [15], характеристики прибора могут быть еще улучшены.

Физический процесс фотоотклика фото детекторов Bi₂O₂Se объясняется простой энергетической диаграммой (рис. 4a). Без освещения и без смещения дренаж-источник прибор в равновесии, ток в канале отсутствует. Освещение БИК поглощением света и возбуждением электрон-дырочных пар, которые извлекаются при приложении смещения дренаж-источник [29–31]. Поскольку Шоткиевский барьер в контакте Bi₂O₂Se-металл очень низок, фотогенерированные носители заряда легко проходят барьер [16–18]. Поэтому многослойный фото детектор Bi₂O₂Se демонстрирует отличную фотоэлектрическую производительность.

Важно обсудить механизм усиленной фотоэлектрической производительности. Теоретически оптическое поглощение многослойного Bi₂O₂Se выше, чем тонкослойного, что индуцирует более высокие фототоки I_ph [14, 20]. Падающая мощность P(x) как функция расстояния x: P(x) = P_in·e^(−α·x), где α — коэффициент поглощения Bi₂O₂Se при энергии падающего фотона. Мощность, поглощенная пластом Bi₂O₂Se толщины Δx на расстоянии x: dR_a = −(dP/dx)·Δx. Общая поглощенная мощность пленки толщины d: R_a = P_in·(1 − e^(−α·d)). Для α·d ≪ 1 поглощенная мощность: R_a = P_in·α·d [16, 19]. Толщина d в нашем эксперименте в 5 и 3 раза больше, чем в [7] и [8] соответственно. Фактически, многослойные нанопленки Bi₂O₂Se в нашей работе имеют лучшее R. Однако с ростом оптического поглощения у многослойного Bi₂O₂Se есть недостатки: более высокая плотность состояний (DOS), вызывающая больше среднезапрещенных состояний по сравнению с однослойным (или тонкослойным) [13, 14]. На рис. 4b при переходе прибора из «включено» в «выключено» возбужденные электроны в верхних зонах многослойного Bi₂O₂Se сначала переходят в среднезапрещенные состояния, затем возвращаются в валентную зону [16, 17, 19]. То есть время жизни носителей τ неизбежно возрастает. Та же ситуация при переходе из «выключено» в «включено». Интересно, по сравнению с предыдущими работами, многослойные нанопленки Bi₂O₂Se все еще имеют быстрое время отклика, удовлетворяющее многим приложениям [1–3]. Это означает, что существование среднезапрещенных состояний может не быть вредным для динамической производительности нанопленок Bi₂O₂Se. Для сильно усиленной η две основные причины играют ключевую роль. Во-первых, увеличение слоев улучшает поглощение падающих фотонов. Во-вторых, существование среднезапрещенных состояний позволяет больше переходных каналов для возбужденных электронов. Таким образом, η значительно увеличивается [16, 19].

Заключения

Подводя итог, представлены фотоэлектрические свойства фото детектора на многослойном Bi₂O₂Se (толщина ~30 нм). Многослойный Bi₂O₂Se демонстрирует ультрачувствительный фотоотклик от 850 до 1550 нм с хорошей воспроизводимостью при комнатной температуре, включая высокую фотоответственность, быстрое время отклика, высокую внешнюю квантовую эффективность и высокую детектируемость. Результаты указывают, что многослойный Bi₂O₂Se имеет относительно лучший фотоотклик, чем тонкослойный.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Аббревиатуры

NIR:

Ближний инфракрасный (Near-infrared)

IR:

Инфракрасный (Infrared)

TFT:

Тонкопленочный транзистор (Thin-film transistor)

AFM:

Атомно-силовая микроскопия (Atomic force microscope)

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия (Scanning electron microscope)

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы (chemical vapor deposition)

TMDs:

Дихалькогениды переходных металлов (Transition metal dichalcogenides)