GaN金属-半导体-金属紫外光电探测器的研制

用金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底上制备了GaN单晶薄膜,并对样品进行X射线衍射和光致发光谱测量.利用GaN样品成功地制备了金属-半导体-金属(MSM)结构GaN紫外光电探测器,并对其I-V特性、光谱响应及击穿电压等性能进行测试和分析.结果表明,探测器在-5 V偏压下的光电流与暗电流之比大于400倍;探测器光响应在352 nm附近达到响应峰值,并在364 nm附近出现截止,即具备可见盲特性;器件的光响应度最好达0.21A/W.     

基于Pt电极的TiO2紫外探测器研究

针对宽禁带半导体紫外探测器响应不够灵敏和响应度偏低等问题,将具有高功函数的Pt电极引入TiO₂紫外探测器,采用溶胶凝胶法制备了纳米TiO₂薄膜。以金属Pt为电极,采用磁控溅射的方法,将Pt电极溅射在TiO₂纳米薄膜上,制作了MSM (Metal Semiconductor Metal)型紫外探测器件。在5 V偏压下,探测器的暗电流为4.5 nA,260 nm波长光照下的光电流为5.7 μA。在260 nm的紫外光照射下,探测器的响应度达到最大值,约为447A/W,与其他紫外探测器（200 A/W左右）的响应度均值相比有了很大的提升。最后,设计外围电路,制作出功能完整的紫外强度测试仪。实验表明,该探测器成功地解决了传统宽禁带半导体紫外探测器灵敏度及响应度偏低等问题。     

利用MOCVD在Si衬底上制备立方相Mg_(0.25)Zn_(0.75)O薄膜及日盲探测器

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在Si衬底上实现了立方结构的Mg0.25Zn0.75O薄膜生长。在此基础上,实现了Mg0.25Zn0.75O/n-Si异质结型日盲紫外探测器。该探测器在-5 V偏压下,器件暗电流为0.02 m A。在0 V偏压下的峰值响应位于大约280 nm处,响应度为1.2 m A/W。     

不同电极材料MSM紫外探测器性能研究

金属-半导体-金属(MSM)紫外探测器件在航空航天、导弹追踪、紫外杀毒等方面有广泛的应用,而金属电极的选择对器件性能影响较大。在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜,然后制作不同电极(In-In,Ni-Ni,Ni-In)MSM紫外光电探测器。3种电极探测器测试结果显示In-In电极器件具有较大的暗电流,其5～10 V偏压下暗电流在10~(-8)A量级,而Ni-Ni电极器件的暗电流在10~(-9)A量级,这归结于Ni金属具有较高的功函数,与GaN接触时,在接触面形成较高的肖特基势垒,从而降低了暗电流。不对称电极(Ni-In)器件暗电流具有不对称性。3种器件的光电流变化规律基本一致,非对称电极器件光电流比对称电极器件的大,归因于两种金属电极功函数的差异,导致器件内部存在以1个与正向偏压方向一致的内建电场。     

高性能金刚石辐射探测器的研制与测试

设计了长×宽×高为4.5 mm×4.5 mm×500μm的金刚石辐射探测器.通过在金刚石/Al面形成肖特基势垒优化探测器性能,对其电特性(暗电流、电荷收集率)和探测特性(能量分辨率)进行测试.结果表明,电荷收集率最优为96.9%;暗电流随外加偏压的增加而增加,在偏压100 V以内小于0.1 nA;能量分辨率在偏压为380 V时最优,为2.82%.金刚石/Al面形成的肖特基势垒不仅降低了暗电流,还使辐射探测器的能量分辨率有很大改善.     

电子束与电阻复合法制备Cu-Ti金属玻璃薄膜及性能测试

文章采用电子束与电阻复合热蒸发的方法,在衬底盘无冷却水条件下成功制备了Cu-Ti二元金属玻璃薄膜。通过X射线衍射仪(X-ray diffraction, XRD)、差示扫描量热仪(differential scanning calorimetry, DSC)和场发射透射电子显微镜(field emission transmission electron microscope, FE-TEM)表征了该二元合金薄膜的非晶态结构。此外,利用升温XRD方法研究了升温速率对玻璃转变温度和晶化温度的影响作用。另外,在紫外光和可见光辐照下,偏压分别为+0.2 V和-0.2 V时均有光电流响应,结果表明,该方法制备的Cu-Ti金属玻璃薄膜在紫外光和可见光区域具有光电响应特性,且表现出典型的N型光电流特性。     

SOI基锗共振腔增强型光电探测器的制作与性能测试

在超高真空化学气相沉积设备上,利用低温生长的硅锗和锗作为缓冲层,在SOI衬底上成功外延出高质量的锗薄膜.基于谐振腔增强型探测器(RCE)理论,模拟优化了有源层和上下反射层的厚度尺寸.传输矩阵方法计算结果显示:将SOI衬底自有二氧化硅、硅层作为一对下反射层的情况下,取2对SiO_2/Ta_2O_5作为上反射层时,量子效率可以达到接近56%.制作的SOI基锗光电探测器,暗电流密度为0.65 m A·cm~(-2).在8 V的偏压下,探测器在1 550 nm处响应度1.45 m A·W~(-1),可以观察到探测器的共振现象.     

零偏压下近红外集成单波长波导光探测器

提出了一种基于InGaAsP材料的零偏压单片集成波导光探测器。该器件单片集成了光子晶体(Photonic Crystals, PC)滤波器、锥形耦合器、零偏压波导光探测器(Wave-Guide Photodetector, WGPD)以及直波导,形成了一个平面微纳光信号接收子系统。集成的波导光探测器吸收峰值波长位于1.55μm处,光谱线宽仅1.6 nm。设计的波导光探测器在无外加偏压时具有良好性能,经优化,当其面积为4μm×15μm时其3 dB带宽达78 GHz@0 V,响应度为0.78 A/W。整个器件基于组分可调的InGaAsP材料,实现多功能器件的单片集成,具有高性能、小体积、低功耗、窄线宽等特性。     

基于TiO2 NRs/CuI异质结的自供电紫外光电探测器

自供电紫外光电探测器(UV-PD)因无需外部能源的潜在应用而备受关注.基于TiO₂ NRs(纳米棒阵列)/CuI结构,结合水热法和浸渍技术及空间限域退火,制备了一种自供电p-n结紫外光电探测器.CuI膜完全覆盖TiO₂ NRs的表面,形成大面积的异质结.器件在自供电模式下具有较高的响应度为75.58 mA/W.器件在施加偏压后(-1V)响应度大幅度提高,可达4.53×10⁴ mA/W.     

高响应度的NMOS型栅体互连光电探测器

针对硅基光电探测响应度低的问题,设计了一款与标准CMOS工艺兼容的、可用于弱光探测的高响应度的NMOS型光电探测器(NMOS-PD).该探测器由栅体互连的NMOS管和T-well/N-well结光电二极管构成,利用光电二极管的光生伏特效应改变T阱电势,进而控制NMOS管的栅压和阈值电压,以此实现光信号的探测与倍增放大,故所设计光电探测器具有更高的光电流增益和更宽的动态范围.经理论模拟计算和优化设计,本文设计了总面积为20μm×20μm的NMOS-PD,选用整个T阱区作为光敏区域(16μm×16μm),以增加光的吸收量,所设计光电探测器经UMC 0.18μm CMOS工艺流片制备.测试结果表明,所设计探测器在400～700 nm波长范围内具有较好的响应度.采用630 nm LED作为光源,当输出光功率密度P_(opt)=5 mW/cm~2、漏源偏压V_(DS)=0.4 V时,NMOS-PD的响应度达到1 550 A/W,并实现了200 kHz的信号探测.尽管随着光强增大,光电探测器响应度逐渐降低,但整体上仍超过10~3A/W.与硅基CMOS工艺制备的传统光电探测器相比,所设计光电探测器结构不仅可在低压、低功耗下正常工作,且在弱光条件下具有极高的倍增放大能力,有望应用于弱光探测的图像传感领域.     

基于非富勒烯受体IEICO-4F的倍增型有机光电探测器

以非富勒烯材料O-IDTBR和IEICO-4F为电子受体,采用溶液法制备结构为ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶O-IDTBR/Al和ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶IEICO-4F/Al的2种倍增型有机光电探测器. IEICO-4F器件在波长400 nm和790 nm处的最高外量子效率(EQE)分别达7 220% 和1 610%. 在-15 V偏压下,IEICO-4F器件EQE大于100%的光谱响应范围(300~840 nm)比O-IDTBR器件(320~740 nm)宽120 nm. 与-15 V偏压下的O-IDTBR器件相比,IEICO-4F器件在波长400、510、600、790 nm处的EQE(2 630%、1 220%、1 900%、409%)分别提升1.7、1.2、0.5、24.5倍以上. 此外,IEICO-4F器件在400、510、600、790 nm处的探测灵敏度(4.8×1012、2.8×1012、5.2×1012、1.5×1012 cm·Hz1/2·W-1)分别是O-IDTBR器件的3.2、2.5、1.8、30.6倍. 结果表明:采用吸收与P3HT更互补(带隙更窄)的非富勒烯材料IEICO-4F为电子受体,有利于提升倍增型有机光电探测器的性能(特别是器件对近红外光的响应与探测能力),并拓宽器件的光谱响应范围.     

铌酸钾钠无铅压电纳米棒阵列的自供电 紫外敏感特性研究

采用水热合成技术生长铌酸钾钠(KNN)纳米棒阵列,研究KNN纳米棒阵列的压电响应、光吸收特性和紫外光辐照下的压电发电性能.结果表明,在190℃的水热反应下,可在[100]取向的钛酸锶单晶衬底上生长出沿正交相[110]取向的KNN纳米棒阵列.单根KNN纳米棒的径向压电常数约为56 pm/V.此外,KNN纳米棒阵列对360 nm以下的紫外光具有较强吸收,且吸收峰位于245 nm处.将纳米棒阵列进行封装,可构成垂直结构的压电发电器件.在作用力为8 N、频率为3 Hz的垂直敲击作用下,纳米棒阵列在黑暗环境中可产生峰峰值为8.11 V的交流脉冲电压,且输出电压峰峰值会随器件所受紫外辐照的波长和功率的变化而发生改变,呈显著自供电的紫外光敏特性.其中,当光功率为0.25 mW/cm~2、紫外光波长从310 nm降低至265 nm时,器件输出电压峰峰值由7.87 V降低至7.64 V.当紫外光波长为310 nm,光功率提高至3.25 mW/cm~2时,器件峰峰值降低至7.54 V.KNN纳米棒阵列这种自供电紫外敏感特性,可归因于紫外光照射下KNN纳米棒中光生载流子在压电势作用下的重新分布对压电势的屏蔽效应所致.     

碳化硅紫外探测器的研究

采用宽禁带半导体n-4H-SiC和金属Au作肖特基接触，TiNiAg合金作背底形成欧姆接触，研制出Au／n-4H-SiC肖特基紫外探测器．测试分析了该器件的光谱响应特性：响应范围为200～400nm之间；在室温无偏压下，响应峰值在310nm处，响应半宽为85nm．同时测试分析了该器件的I-V特性：在室温下，正向开启电压为0．8V，反向击穿电压大于200V，反向漏电流小于10^-10A；工作温度大于250℃．实验表明，Au／n-4H—SiC肖特基紫外探测器具有很好的紫外响应特性和很低的反向漏电流．     

Au/n-ZnO/p-SiC紫外探测器的研制和特性分析

采用宽禁带半导体n-ZnO和金属Au作肖特基接触,n-ZnO和同为宽禁带半导体p-SiC形成异质结,Ti,Ni,Ag合金作背底形成欧姆接触,研制出Au/n-ZnO/p-SiC结构的紫外探测器.测试分析了该器件的光谱响应特性,响应范围为200～400nm,在室温和一定反偏压下,响应峰值为313nm,半宽为65nm.同时测试分析了该器件的I-V特性,室温下,反向工作电压大于5V,反向击穿电压为70V.实验表明,此结构紫外探测器具有良好的紫外响应特性以及较低的反向漏电流和结电容.     

石墨烯场效应晶体管的光响应特性研究

采用电子束曝光和剥离工艺制备石墨烯场效应晶体管, 并研究其光电响应特性。结果表明, 当激光光斑(波长为633 nm)照射在金属电极边缘的石墨烯沟道时, 可测得明显的光电流。背栅电压能够有效调制光电响应, 可以改变光电流的大小和方向。在背栅调控下, 光电流出现饱和现象, 石墨烯晶体管的光响应度最大达到46.5 μA /W,可用于构建基于石墨烯的新型光探测器。     

Si基单片集成850nm光接收芯片研究

设计并制备了一种Si基单片集成850nm光接收芯片,包括"P+/N-EPI/BN+"结构的光电探测器(PD)、跨阻前置放大电路及其后续处理电路。分析了PD的结构,并对其光谱响应及频率响应进行模拟,在2.0V偏压下,PD在850nm的响应度为0.131A/W,截止频率为400 MHz。采用0.5μm BCD(bipolar、CMOS和DMOS)工艺流片,光接收芯片面积约为900μm×1 100μm。测试结果表明,PD暗电流为pA量级,响应度为0.12A/W。光接收芯片在155 Mb/s速率及误码率(BER)小于10-9情况下,灵敏度为-12.0dBm;在622 Mb/s速率及BER小于10-9情况下,灵敏度为-10.0dBm,并能得到清晰的眼图。将该光接收芯片封装后接入光接收模块,进行点对点光互联实验,获得很好的光信号通路。     

二维钙钛矿窄带光电探测器

识别光信号的波长在生物医学传感、机器视觉及图像处理等方向都有极大的应用价值。传统的方式是由光学滤波片或光谱仪对宽带光谱进行滤波或分光,再结合宽带光电探测器件检测,从而实现对波长的鉴别。但这种实现方式的成本高、系统体积大。为了解决这一问题,文中提出一种基于二维钙钛矿材料的窄带光电探测器,它无需任何额外光学元件,也能够实现对光波长的鉴别功能。该探测器的光谱响应峰在552nm处,其峰值半高宽仅为22 nm,峰值的响应度达到0.55A/W,对应的外量子效率为124%。探测器的比探测率高达3.5×10~(11) Jones,暗电流低至10~(-13)A,开光比为10~3。这种高性能的窄带探测可归因于材料内存在的自陷态激子的辅助吸收作用及各向异性的电导率对于窄带电荷收集的促进作用。     

激基复合物器件的光电流和光致发光磁效应

本文制备了一系列不同浓度、厚度和禁带宽度的激基复合物光电器件,在325 nm激光照射下,测量了不同偏压和温度下器件的光电流磁效应(Magneto-photocurrent, MPC)和光致发光磁效应(Magneto-photoluminescence,MPL).实验发现,在不同温度下,尽管器件的MPC和MPL线型均表现为ISC (Intersystem Crossing, ISC)过程主导的指纹式响应曲线,但其偏压依赖关系却完全不同,即MPC幅值随外加负偏压的增加而减小,随外加正偏压的增加先增加后减小;而MPL幅值与外加偏压无关.此外,随着浓度的增加, MPC幅值逐渐减弱, MPL幅值先增大后减小;随着厚度的增加, MPC幅值减小, MPL幅值保持不变.另外, MPC幅值在禁带宽度较小的激基复合物器件中表现更大.分析认为, MPC幅值变化是由器件中ISC过程与激子的解离和传输作用共同决定,而界面处激子的辐射与ISC过程的竞争则会影响MPL幅值的变化.该工作对理解光激发下激基复合物器件的微观机制具有一定的参考价值.     

ZnO纳米管阵列/p-Si异质结构的低温控制合成及其光电性能

通过选择性腐蚀ZnO纳米棒,在p型Si衬底上低温合成了ZnO纳米管阵列,构成ZnO纳米管阵列/p-Si异质结构(n-ZnONT/p-Si).ZnO纳米管阵列光致发光谱显示,在378 nm处出现了很强的紫外发射峰,而在500 nm左右有一个较宽的绿色发光峰,表明ZnO纳米管具有较好的结晶性.电流-电压曲线显示,n-ZnONT/p-Si异质结构在光暗两种条件下都表现出了较好的整流特性.在紫外光照射下,反向偏压区电流出现了较大的变化,反映出n-ZnONT/p-Si异质结构有较强的紫外光响应,有望成为潜在的紫外光探测器件.     

新型双偶氮化合物的合成、表征及光响应性能研究

以苯甲酸为原料,通过多步反应合成了1种新型双偶氮化合物3,5-二-(4-羟基苯基偶氮)苯甲酸乙酯.利用IR、1HNMR、UV-vis进行结构表征.该化合物(1.2×10-5 mol·L-1四氢呋喃溶液)紫外光谱K带的最大吸收波长为360 nm,其摩尔吸光系数ε为62 833 L·mol-1·cm-1.在365 nm紫外光照射下,该化合物发生反-顺光异构化,光照6 min后达到光稳定态,K带最大吸收波长蓝移33 nm.将其置于暗室,40 h后恢复原态.偶氮发色团反-顺光异构化转化率(R)、光稳态顺式异构体含量(Y)分别为52.26%,54.88%.在质子溶剂乙醇中,溶剂与该化合物形成分子间氢键,导致该化合物在365 nm紫外光照射下不发生反-顺光异构化.