可控轉(zhuǎn)移二維GaSe制備高性能光電探測(cè)器

梁瑤,徐基源,溫陽(yáng),唐曉秋,武素梅

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

高性能光電探測(cè)器被廣泛地應(yīng)用在眾多領(lǐng)域,例如空間通信[1-2]、生物識(shí)別[3]、傳感[4]、化學(xué)檢測(cè)[5]等。納米材料具有大的表面積與體積比以及高的結(jié)晶質(zhì)量,在制作高性能光電探測(cè)器上有非常大的應(yīng)用潛力[6]。自從2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái),二維材料成了相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[7]。相比零維和一維納米材料,二維材料具有許多獨(dú)特的物理特性,而且與傳統(tǒng)微電子制造技術(shù)更兼容,在新型器件制作上將更具優(yōu)勢(shì)[8]。盡管石墨烯展示了在寬波段高速光電探測(cè)器上的應(yīng)用潛力,但是由于石墨烯帶隙為零,具有很高的導(dǎo)電性,用于光電探測(cè)具有很高的暗電流,這使其應(yīng)用受到限制[9-10]。隨后非零帶隙二維金屬硫族化合物(如InSe[11-12]、GaS[13]和GaSe[14]等)吸引了研究人員的注意,被認(rèn)為在制作高性能光電探測(cè)器上更具應(yīng)用潛力。

GaSe是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料[15],層內(nèi)主要通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合,而層間通過(guò)弱的范德瓦爾斯鍵相互束縛,單層GaSe厚度約為0.8 nm,沿c軸方向按Se-Ga-Ga-Se原子層排列[16]。這種層狀結(jié)構(gòu)材料很容易通過(guò)機(jī)械剝離的方法制得相應(yīng)的二維材料[17]。多層二維GaSe是直接帶隙材料,禁帶寬度約為2.0 eV,具有高電阻率,用其制作光電探測(cè)器可以降低器件的暗電流,從而增大開(kāi)關(guān)比[18-19]。Hu等[8]采用機(jī)械剝離的方法制成較少層數(shù)的二維GaSe,將其制成光電探測(cè)器,器件具有0.02 s的快速響應(yīng)和2.8 A/W的高響應(yīng)度,展示了GaSe在制作高性能光電探測(cè)器上的應(yīng)用潛力。Ko等[20]發(fā)現(xiàn)增加二維材料厚度能提高器件的響應(yīng)度,最終獲得器件的響應(yīng)度達(dá)到0.57 A/W。Zhou等[21]人通過(guò)范德瓦爾斯外延法成功在云母片上合成了二維GaSe晶體,利用其制作的光電探測(cè)器響應(yīng)度為0.03 A/W。Lei等[14]通過(guò)氣相輸運(yùn)的方法成功在絕緣襯底上生長(zhǎng)較大尺寸的二維GaSe,最終制成光電探測(cè)器的響應(yīng)度為0.017 A/W。在這些研究中,通常將二維GaSe置于絕緣襯底上,再在二維材料上制作金屬電極,最終制成光電探測(cè)器,這種方法易導(dǎo)致電極與二維材料接觸過(guò)于緊密而形成共價(jià)鍵,改變材料費(fèi)米能級(jí),使二維材料性能受電極制作流程影響[22]。而采用先制作電極再將二維GaSe轉(zhuǎn)移到電極上制成光電探測(cè)器的方法可以避免電極制作流程對(duì)二維材料性能產(chǎn)生影響,因此通過(guò)該法可控轉(zhuǎn)移二維GaSe制備高性能光電探測(cè)器的可行性探索就顯得十分必要。

本文通過(guò)機(jī)械剝離的方法獲得二維GaSe,并定向轉(zhuǎn)移到預(yù)先制好的金屬電極上,制成光電探測(cè)器,對(duì)器件的性能進(jìn)行檢測(cè),研究了電極間距對(duì)器件性能的影響。探索將二維GaSe可控轉(zhuǎn)移到電極上制成光電探測(cè)器工藝流程的可行性,為制作高性能二維材料基光電探測(cè)器提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

本文采用機(jī)械剝離法制取二維材料,利用膠帶從GaSe晶體(HQ graphene,純度大于99.995%)上揭取二維GaSe。將二維GaSe材料粘到SiO2(300 nm)/Si表面,利用拉曼光譜儀(Renishaw)和光致發(fā)光光譜儀(OmniPL-LF325)對(duì)二維材料的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè),均以532 nm激光作為激發(fā)光源。通過(guò)光刻和電子束蒸發(fā)技術(shù)在SiO2(300 nm)/Si襯底上制備金屬電極,電極下層為鉻,厚度30 nm,上層為金,厚度100 nm。通過(guò)定向轉(zhuǎn)移技術(shù),利用聚二甲基硅氧烷膜(PDMS)將二維GaSe樣品轉(zhuǎn)移到金屬電極上,制成二維GaSe基光電探測(cè)器,該器件的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。器件制作完成后,通過(guò)光學(xué)顯微鏡(OLYMPUS BX41M)和原子力顯微鏡(Bruker Multimode-8)對(duì)二維GaSe的形貌進(jìn)行檢測(cè)。本文選用不同波長(zhǎng)的光照射光電探測(cè)器,利用吉時(shí)利2635B源表測(cè)試器件的電學(xué)特性。器件外加固定電壓,開(kāi)關(guān)光,測(cè)試電流隨時(shí)間的變化關(guān)系。利用Newport Model 843光功率計(jì)測(cè)量入射光功率。

圖1 GaSe光電探測(cè)器模型圖

2 結(jié)果與討論

圖2 二維GaSe的光學(xué)性質(zhì)

將二維GaSe定向轉(zhuǎn)移到5 μm間距的電極上制成光電探測(cè)器,圖3(a)為器件的光學(xué)顯微鏡圖像和實(shí)物圖。從光學(xué)顯微鏡圖像可以觀察到二維GaSe厚度均一,兩電極間二維材料占據(jù)的面積為光電探測(cè)器的有效探測(cè)面積,約為90 μm2。通過(guò)原子力顯微鏡對(duì)電極上的二維GaSe進(jìn)一步檢測(cè),可知其厚度大約為30 nm(約37層),見(jiàn)圖3(b),該厚度有利于獲得高響應(yīng)度的光電探測(cè)器[22]。

圖3 GaSe光電探測(cè)器(電極間距5 μm)

對(duì)光電探測(cè)器(電極間距5 μm)的探測(cè)性能進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)圖4。圖4(a)為黑暗和不同波長(zhǎng)光照下器件的I-V曲線,曲線均為線性,說(shuō)明二維材料與金屬電極形成了較好的歐姆接觸,同時(shí)可以看到器件對(duì)入射光均有光響應(yīng)。外加2 V電壓,開(kāi)關(guān)光,測(cè)試器件電流隨時(shí)間的變化曲線,結(jié)果見(jiàn)圖4(b),可以看出二維GaSe光電探測(cè)器能實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的快速、穩(wěn)定、可重復(fù)探測(cè)。外加2 V電壓,器件的暗電流約為5 pA。照射450 nm波長(zhǎng)光時(shí),器件的照光電流最大,達(dá)到96 pA,器件的開(kāi)關(guān)比(照光電流與暗電流比值)約為19。以450 nm波長(zhǎng)入射光為例,研究了光電探測(cè)器的響應(yīng)速度,結(jié)果見(jiàn)圖4(c)。光響應(yīng)(恢復(fù))時(shí)間定義為光電流(Iph,即照光電流與暗電流差值)從10%升至90%(90%降至10%)所需時(shí)間。外加2 V電壓時(shí),光電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間均為300 ms。圖4(d)展示了器件光電流Iph與入射光功率密度P之間的關(guān)系,通常滿足Iph∝Pα,α是擬合常數(shù),對(duì)數(shù)據(jù)擬合可得α值為0.36,α遠(yuǎn)小于1說(shuō)明二維GaSe中存在較多陷阱態(tài)[25]。

圖4 GaSe光電探測(cè)器(電極間距5 μm)探測(cè)性能

響應(yīng)度(R)和外量子效率(EQE)是衡量光電探測(cè)器性能的重要參數(shù),分別通過(guò)以下公式計(jì)算:

R=Iph/PS

(1)

EQE=hcR/eλ

(2)

式中:Iph是光電流;P是入射光功率密度;S是光電探測(cè)器有效面積;h是普朗克常數(shù);c是光速;e是單位電荷;λ是入射光的波長(zhǎng)[26]。圖4(e)和4(f)分別展示了器件響應(yīng)度和外量子效率與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系,可以看出, 入射光波長(zhǎng)從650 nm減小到600 nm時(shí),器件的響應(yīng)度和外量子效率都有明顯提升。二維GaSe的禁帶寬度約為2.0 eV,其本征吸收長(zhǎng)波限約為620 nm。當(dāng)入射光波長(zhǎng)從650 nm減小到600 nm時(shí),入射的光子可以將價(jià)帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶,產(chǎn)生更多載流子,使器件的光電流迅速上升, 響應(yīng)度和外量子效率得以明顯提高。在450 nm波長(zhǎng)光照射時(shí),器件的響應(yīng)度為68.3 mA/W,外量子效率為18.8%。光電探測(cè)器對(duì)300 nm紫外光展示了最高的響應(yīng)能力,響應(yīng)度為440.9 mA/W,外量子效率為176.6%。

為了探索電極間距對(duì)光電探測(cè)器性能的影響,在3 μm間距電極上通過(guò)定向轉(zhuǎn)移技術(shù)放置一片二維GaSe,制成了另一個(gè)光電探測(cè)器,對(duì)器件的光電探測(cè)性能進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)圖5。圖5(a)內(nèi)插圖為器件的光學(xué)顯微鏡圖像,可以看到二維材料厚度均一,器件有效探測(cè)面積約為48 μm2。圖5(a)是黑暗和分別照射450、488、635 nm波長(zhǎng)光時(shí)器件的I-V曲線,電流和電壓之間關(guān)系近似為線性,也說(shuō)明二維材料與電極形成了較好的歐姆接觸,器件對(duì)入射光均有光響應(yīng)。圖5(b)展示該光電探測(cè)器同樣可以高效、穩(wěn)定、可重復(fù)對(duì)不同波長(zhǎng)光進(jìn)行探測(cè)。同樣,器件在450 nm波長(zhǎng)光照下的照光電流最大,約為97 pA,暗電流約為3 pA,器件的開(kāi)關(guān)比為32,可以看出減小電極間距能夠有效增加器件的開(kāi)關(guān)比。圖5(c)展示器件對(duì)450 nm入射光的響應(yīng)時(shí)間為320 ms,恢復(fù)時(shí)間為280 ms。圖5(d)展示了該器件在450 nm光照下光電流與入射光功率密度之間的關(guān)系, 對(duì)數(shù)據(jù)擬合可得α值為0.45。圖5(e)和圖5(f)分別展示了該器件響應(yīng)度和外量子效率與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系,同樣在入射光波長(zhǎng)從650 nm減小到600 nm時(shí),器件的響應(yīng)度和外量子效率都有明顯提升。在450 nm波長(zhǎng)光照射時(shí),器件的響應(yīng)度為144.6 mA/W,外量子效率為39.9%。光電探測(cè)器對(duì)300 nm紫外光展示了最高的響應(yīng)能力,響應(yīng)度為677.2 mA/W,外量子效率為271.2%。

圖5 GaSe光電探測(cè)器(電極間距3 μm)探測(cè)性能

為了獲得電極間距對(duì)器件開(kāi)關(guān)比和響應(yīng)度的影響,分別在10和20 μm間距的電極上又制作了兩個(gè)GaSe光電探測(cè)器,見(jiàn)圖6(a)和圖6(b)。對(duì)器件性能進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè),最終得出器件開(kāi)關(guān)比隨電極間距變化曲線(圖6(c))以及響應(yīng)度隨電極間距變化曲線(圖6(d))。可以看出,縮短電極間距可以有效提高器件的開(kāi)關(guān)比和響應(yīng)度。

根據(jù)光電導(dǎo)增益公式:

G=(μτV)/l2

(3)

式中:μ是載流子遷移率;τ是非平衡載流子壽命;V是器件外加電壓;l是電極間距。從式(3)可以看出,縮短電極間距可以有效增大器件的光電導(dǎo)增益,提高光電流數(shù)值,從而改善器件的開(kāi)關(guān)比和響應(yīng)度。本文光電探測(cè)器性能與已報(bào)導(dǎo)的器件性能的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1, 這充分說(shuō)將二維GaSe轉(zhuǎn)移到電極上制成光電探測(cè)器的制作流程是可行的。該方法可有效避免電極制作過(guò)程對(duì)二維材料性能產(chǎn)生影響,也適用于制作基于其他二維材料的新型光電探測(cè)器。

圖6 GaSe光電探測(cè)器(電極間距分別為10 μm和20 μm)光學(xué)顯微鏡圖像及電極間距對(duì)器件探測(cè)性能的影響規(guī)律

表1 光電探測(cè)器性能對(duì)比

3 結(jié)論

本文通過(guò)機(jī)械剝離的方法獲得二維GaSe,研究表明二維GaSe具有直接帶隙結(jié)構(gòu),禁帶寬度在2.0 eV左右,具有較好的結(jié)晶質(zhì)量。將獲得的二維GaSe定向轉(zhuǎn)移到預(yù)先制好的金屬電極上制成光電探測(cè)器。器件擁有較快的響應(yīng)速度(～300 ms)、較高的開(kāi)關(guān)比(～32)。入射光波長(zhǎng)從650 nm減小到600 nm時(shí),器件的響應(yīng)度和外量子效率都有明顯提升。在450 nm波長(zhǎng)光照射時(shí),器件的響應(yīng)度為144.6 mA/W,外量子效率為39.9%。光電探測(cè)器對(duì)300 nm紫外光展示了最高的響應(yīng)能力,響應(yīng)度為677.2 mA/W,外量子效率為271.2%。器件電極間距縮短能有效提升器件的響應(yīng)度和開(kāi)關(guān)比。結(jié)果表明,將二維GaSe轉(zhuǎn)移到電極上制成光電探測(cè)器的工藝流程是可行的,適用于制作新型二維材料基光電探測(cè)器。