高性能柔性可见光-近红外光电探测器

研究背景

随着对物联网(loT)需求的增加，各种传感器被集成到电子设备中，从可穿戴设备到车辆，并连接到广泛的网络中。因此，柔性电子器件由于具有坚固、便携、轻巧和比刚性基材生产成本低等优势，吸引了大量的关注。特别是，灵活的光电探测器在诸如光通信、运动捕捉、生物信号检测和夜视等应用中很受欢迎。
光电探测器通常可以分为两种类型，即光电二极管和光电导体。对于光电二极管，产生的电子和空穴将在内置电场的驱动下移动到相对的电极，由半导体和金属之间的p-n结形成。就光导体而言，由光激发产生的电子和空穴将被施加的外部偏压分离并漂移到相对的电极，从而产生光电流。传统的薄膜光电探测器，如硅基和基于InGaAs的光电探测器，表现出高的光学性能和与互补金属氧化物半导体(CMOS) 技术的兼容性。它们可以在室温下用于可见光和近红外(NIR) 范围内。然而，它们需要高厚度和坚硬的基板，这限制了它们与柔性光电探测器的整合。其他基于IIV族半导体的光电探测器，如InAs/InGaSb、HgCdTe和InSb，可以探测中长波红外区域。然而，由于它们的不灵活性和低温特性,它们很难在正常环境下运行。基于有机半导体的光电探测器,如P3HT、PCBM和戊烯，具有高灵活性的优点，但它们由激发性质和结构无序引起的低载流子流动性导致低响应性。因此，要将光电探测器和器件集成到柔性芯片中，需要考虑材料选择、空间使用和感应效率。
 

研究成果

柔性光电子学在诸如光通信、运动捕捉、生物信号检测和夜视等应用中获得了相当大的兴趣。过渡金属二氯化物因其出色的电学和光学特性以及高度的灵活性而被广泛用作柔性光电探测器。在此，台湾半导体研究所Wen-Hsien Huang & Chang-Hong She教授及国立清华大学Yu-Lun Chueh教授等人开发了一种基于二维(2D)Sb2Se3 薄膜的一晶体管一电阻(1T1R) 柔性光电探测器，具有高光敏电流和从可见光到近红外的检测范围。灵活的1T1R是利用高效的场效应晶体管平台制造的，二维Sb2Se3薄膜通过低温等离子体辅助化学气相反应直接沉积在感应区域。在功率密度为26 mW/cm2的白光下，该光电探测器可以达到15000的最大lphoto/ldark，其中光电探测器显示出快速的上升和下降响应时间，分别为0.16和0.28 s。二维Sb2Se3薄膜在可见光和红外区域表现出宽带吸收，在不同波长的激光照射下产生了良好的光反应。为了研究1T1R光电探测器的灵活性和稳定性，在不同的弯曲周期和曲率下测量了光反应，在曲率半径为20毫米的凸凹弯曲下，该探测器保持了其功能并表现出高度稳定性。相关研究以“Embedded Integration of Sb2Se3 Film by Low-Temperature Plasma-Assisted Chemical Vapor Reaction with Polycrystalline Si Transistor for High-Performance Flexible Visible-to-Near-Infrared Photodetector”为题发表在ACS Nano期刊上。
 

图文导读

 
Figure 1. An overview concept of the Sb2Se3-based 1T1R flexible photodetector.
 
Figure 2. Electrical characteristics of f-FET.
 
Figure 3. Electron analysis and electrical properties of 1T1R photodetector.
 
Figure 4. Photosensing characteristic of the Sb2Se3-based 1T1R photodetector.
 
Figure 5. Photosensing properties of the Sb2Se3-based 1T1R photodetector.
 
Figure 6. Bending properties of the Sb2Se3-based 1T1R flexible photodetector.
 

总结与展望

通过将二维Sb2Se3薄膜集成到高流动性的柔性多晶硅场效应晶体管中，开发了一种基于二维Sb2Se3薄膜的1T1R柔性光电探测器，利用了二维Sb2Se3光敏薄膜的高灵敏度。Sb2Se3 薄膜可以在350°C的低温下在1T1R器件上合成，实现了CMOS兼容和灵活应用。基于1T1R结构，由于传感区的电容耦合和肖特基势垒，传感器的响应成功地转换为~2 V的Vth。此外，这种基于二维Sb2Se3薄膜的1T1R柔性光电探测器在广泛的范围内提供了卓越的光学Iphoto/ldark和快速响应时间。在白光照明下，最高的lphoto/ldark达到了15000，与基于二维Sb2Se3的1R光传感器的初始响应40相比，提高了375 倍。二维Sb2Se3薄膜在可见光和红外区域表现出宽带吸收，在不同波长的激光照射下产生了良好的光反应。此外，基于二维Sb2Se3薄膜的1T1R柔性光电探测器在弯曲半径和弯曲周期方面表现出相当的耐久性和灵活性。相信该传感器可以证明在柔性光电探测器的发展中非常有效。
 
文献链接
Embedded Integration of Sb2Se3 Film by Low-Temperature Plasma-Assisted Chemical Vapor Reaction with Polycrystalline Si Transistor for High-Performance Flexible Visible-to-Near-Infrared Photodetector

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c07288

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2023年2月8日 10:08
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