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基于Bi2O2Se/Au的肖特基光电晶体管具有快速响应和超高响应
Tong Tong, Weisheng Li, Shuchao Qin, Xiao Yuan, Yunfeng Chen, Chunchen Zhang, Wenqing Liu, Member, IEEE, Peng Wang, Weida Hu, Fengqiu Wang ,
Junran Zhang , Rong Zhang, and Yongbing Xu
摘要— 由于Bi2O2Se具有高的迁移率、灵敏度和长期的环境稳定性，在光电子应用中引起了广泛的关注。 在这里，我们使用Au触点在532nm照明下制备了最大光响应度为27592A/W的高性能Bi2O2Se光晶体管，其中形成了两个背对背肖特基势垒(SBs)，从而产生了光伏效应。 SB的形成被认为是这种金属半导体结构光响应的主要贡献因素，其响应时间最快，sim;24micro;s。 我们的工作表明，Bi2O2Se/Au基光电晶体管在光电探测应用中具有广阔的应用前景。
索引术语— 光电晶体管，2D半导体，快速响应，超高响应。
1.引言
具有丰富奇异特性的两种尺寸(2D)材料是下一代高性能光电器件的候选材料。 在过去的十年里，石墨烯、过渡金属双卤代烃(TMD S)、和黑磷(BP)等二维材料因其优异的电学和光学性能而引起极大的兴趣。 具有测硼或光伏效应的石墨烯光电晶体管最近已经被证明了。然而，声声子的高费米速度和线性色散极限散射相位空间。因此，非常弱的电子-光子耦合阻碍了它们的光电应用。TMDC具有很高的开/关比，这对于逻辑应用程序至关重要。然而，到目前为止，几乎所有报道的TMDC都有一个非常缓慢的光响应，通常以秒为单位（或最佳时为几十毫秒），限制了它们的光电应用。BP具有快速响应时间和高移动性。然而，由于BP器件在空气中的不稳定性，它们总是封装在六方BN中。因此，探索新型2D材料具有重要意义。
Bi2O2Se是一种带隙为0.8eV的二维材料，具有超高的迁移率(sim;28900cm2Vminus;1Sminus;1在2K)、大的通断比、强的自旋轨道相互作用以及优越的空气稳定性。此外，Bi2O2Se光电晶体管具有高灵敏度和快速响应时间等优良性能。然而，Bi2O2Se-Au肖特基光晶体管的性能和工作机理尚未得到深入的报道。
在这封信中，我们制造了高性能的Au/Bi2O2Se/Au光晶体管，其中包含两个背对背肖特基势垒，这说明了光伏效应，这得到了高分辨率光电流映射的进一步支持。基于Bi2O2Se/Au的肖特基光电晶体管在532nm光照下表现出明显的光电特性，快速响应时间为27592A/W。 sim;24mu;s和最大光孔。
稿件收到2020年7月23日；受理2020年8月8日。 出版日期2020年8月12日；现版日期2020年9月25日。 这项工作得到了国家重点研究和开发项目2016YFA0300803的部分支持；国家自然科学基金61427812、11774160、61904079和61674157的部分支持；江苏省自然科学基金BK20190301的部分支持；中央大学基础研究基金021014380113的部分支持；美国工程和物理科学研究委员会(EPSRC)的部分支持。 对这封信的审查由编辑O.Manasreh安排。 (相应作者：张俊然；徐永兵。 )
童彤，李伟生，秦书超，肖元，王凤秋，张俊兰，张荣章，徐永兵，南京大学电子科学与工程学院江苏省高级光子与电子材料重点实验室，南京210093，中国(电子邮件：junran@nju.edu.cn；ybxu@nju.edu.cn)。
陈云峰和胡伟达在中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室，上海200083。
张春晨和彭旺在南京大学工程与应用科学学院固态微结构国家实验室，南京210023，中国，也与南京大学先进微结构协同创新中心，南京210023，中国。 刘文清是英国伦敦大学皇家霍洛威电子工程系的学生。
本信中一个或多个数字的彩色版本可在http://ieeexplore.ieee.org.网上查阅。
数字对象标识符10.1109/LED.2020.3016186。
2.结果和讨论
图1(a) 给出了Bi2O2Se纳米片的拉曼光谱。一个峰的A1声子模式位于159cm^-1。图1(a)的插入显示了Bi2O2Se纳米片的原子力显微镜(AFM)图像，表明Bi2O2Se的厚度约为12.2nm。此外，图1(b)中描述了Bi2O2Se纳米片的A1g(sim;159cmminus;1)模式的拉曼映射，表现出良好的均匀性。用透射电子显微镜(TEM)和能量色散X射线能谱(EDS)映射对Bi2O2Se纳米片的组成进行了表征。图1(c)显示方形原子晶格的选定区域电子衍射(SAED)图像，符合具有I4/mmm空间群的Bi2O2Se单晶。图1(e)-(g)中示出了Bi2O2Se纳米片的TEM-EDS元素映射 ，分别对应于O、Bi和Se。这些表征表明，Bi2O2Se纳米片具有高质量，这是高性能光电性能的先决条件。
为了研究Bi2O2Se纳米片的光电性能，我们制备了一种具有Al2O3介电层的Bi2O2Se顶栅光电晶体管，如图2(a)所示。此外，图2(a)显示了Bi2O2Se器件在532nm不同功率密度下在黑暗和光照下的典型I-V曲线。 值得注意的是，I-V曲线的非线性船舶、不对称和不饱和特性表明，在Au电极与Bi2O2Se纳米片接触时存在肖特基势垒，这一点在下面的文章中通过光电流映射进一步证明。在这种情况下，在对称的内置电场下，光激发电子空穴对在相反的方向上分离，形成光电流，这在以前的Bi2O2Se研究中已经报道过。
关于Bi2O2Se光电晶体管性能的评价，光响应度(R)和外部量子效率(EQE)是重要的参数，其定义可以是：
R=Iph/Popt （1）
EQE=hcR/lambda; （2）
其中Iph=照明-Idark，Popt是照射到Bi2O2Se纳米片通道上的照明功率，h是Planck常数，c是光速，e是电子电荷，lambda;是光波长。
此外，在图2(b)中的二维映射中，给出了计算出的R作为入射激光功率和532nm处栅极电压的函数。最大响应率达到27592A/W，测量在2.158nW，栅极电压为15V，这个响应值是由于Bi2O2Se是电掺杂的，在大栅极电压下接触电阻较低的结果。光响应的次线性依赖关系被观察到改变光功率。在评估的激光水平上的饱和吸收是R减小的原因。这种行为是众所周知的陷阱占主导地位的探测器并导致亚线性功率依赖的光电流。
决定Bi2O2SeSB光电晶体管性能的一个关键数字是响应时间。光电流中的恢复过程最初有一个快速下降(sim;24mu;s)，然后是一个非常缓慢的衰减分量(sim;80ms)，在很长时间后恢复到原来的水平，如图2(c)所示。对于Bi2O2Se纳米片SBs光晶体管，SBs界面中的弛豫载流子被认为是Bi2O2Se光晶体管快速回收过程的主要原因。然而，缓慢衰减尾巴的出现是由于存在多个陷阱态，即无序或缺陷，以及Bi2O2Se-Au电极与SB光电晶体管界面处的氧化物电荷。此外，
最大EQE为6.5times;106%，如图2(D)所示， 这高于报道的Bi2O2Se光电晶体管。比探测(Dlowast;)是探测器灵敏度的度量，当假设来自暗电流的镜头噪声是总噪声的主要贡献者时，它由D*=RA1/2/(2eIdark)1/2给出，其中A是有效区域，R是响应度。如图2(d)插入所示。 在固定栅极值为15V的情况下，Dlowast;达到最大值4.2times;1012Jones。所有优异的光电性能都证明了Bi2O2Se是一种潜在的光电材料。
为了进一步验证Bi2O2Se光电探测器的光电流产生机理，在共聚焦光学显微镜下进行了高分辨率空间光电流映射。 调制的光电流信号用锁定放大器放大和检测，因此光电流信号都是正的，只表示其振幅。 从光电流映射中可以清楚地看到光伏效应，这占了Bi2O2Se-Au电极之间的两个背靠背SBs。
图.1 Bi2O2Se单晶的生长和表征。(a)拉曼光谱。该嵌体显示了厚度为10.1nm的Bi2O2Se纳米片的AFM形貌。(b)Bi2O2Se纳米片的A1g(sim;159cmminus;1)模式强度的拉曼映射，显示出良好的均匀性。 (c)Bi2O2Se纳米片的SAED图像。(d)Bi2O2Se纳米片的HAADF图像和Bi(f)、O(e)和Se(g)的相应元素图)。
图.2 顶栅Bi2O2Se光电晶体管在532nm波长下的光电特性。(a)具有不同光功率的装置的输出曲线。插入显示topgateBi2O2Se光电晶体管的照片。(b)在二维映射中给出了计算出的光响应度随入射激光功率和532nm处栅极电压的变化。(c)Bi2O2Se的时间分辨光响应。镶嵌：上升时间约为24micro;s。(d)EQE根据2D图计算，栅极电压为12V。
图.3 532纳米照明和内带图下的光电流映射。(a-f)在不同偏置下532纳米连续激光照明下双2O2SE器件的光电流图像。上部定义为A，底部定义为B。(g-l)半导体双二O2在不同偏置下的能带图。
图.4 照片电流与位置(A)分别是VD=0.5，1和1.5V。(b)VD=分别minus;0.5、minus;1和1.5V。
图3(a)中给出了相应的示意图。解释物理动力学，其中向上电极定义为A侧，底部电极定义为B侧。在应用外部偏置之前，初始内置电位由SB之间的高度差决定A-Bi2O2Se和B-Bi2O2Se接触。在我们的器件中，B-Bi2O2Se接触中的SB的高度高于A-Bi2O2Se侧，因此Bi2O2Se层中的带向下倾斜，向A侧倾斜，其内置场驱动激发电子向A侧移动。
在532nm光照下，电子空穴对通过吸收光激发，并通过施加的源漏偏压横向分离，从而产生光电流。在A-Bi2O2Se和B-Bi2O2Se之间的SB高度可以通过外部施加的漏极偏置有效地调制，在VD=0.5V下，光生成载流子在两个电极上积累。两个边缘的光电流极大值是可比的，如图3(a)所示和图3(g)。通过增加正VD偏置(在图3(b)和图3(C)分别为从1到1.5V)，A侧电极与Bi2O2Se之间的带斜率增加并加速了电子和空穴的分离，导致光电流的增强，如图3(h)所示和图3(i)。当交换Vd(Vd=minus;0.5V)偏置的方向（我们改变了电压的正负极，所以光电流信号仍然是正的）时，A-Bi2O2Se接触的带斜率可以降低到低于图3(J)中描述的B-Bi2O2Se侧的带斜率。因此，在B侧反转带斜率并增强光电流(图3(d))。随着负VD(minus;1和minus;1.5V)偏置的增加，与Bi2O2Se之间的带斜率增大，分别如图3(k)所示和图3(l)
所示。在图3(e)和图3(f)分别增强了B-Bi2O2Se侧的光电流。光电流的产生显然来自高分辨率空间光电流映射的两个背靠背Bi2O2Se-Au电极SBs。这组行为也在其他半导体纳米器件的SPCM中发现。
我们跟随林等人，绘制照片电流与位置在图4(a)中。 当激光光斑以0.5V的偏置扫描时，在该处出现一个主导的光电流峰源电极的边缘(我们手稿中的A侧)和一个小的光电流峰出现在漏极的边缘(我们手稿中的B侧)。 随着偏压增加到1V或1.5V，A侧的主导光电流峰增大，小光电流减小。从这个数字中，我们可以看到SB在B侧高于A侧。因为当激光光斑以0.5Vminus;偏置扫描时，B侧只有一个峰值。当负偏压的大小增加时，B侧的峰值增加。以上描述与我们文中的能带图解释一致。
为了比较基于我们的器件和其他报道的Bi2O2Se器件的光电晶体管性能，表I总结了R和上升时间。从上表可以看出，我们报告的最快响应速度为24mu;s。根据参考，测试功率为0.2nW，获得了3.5times;104A/W的最大响应度。由于测试激光功率的限制，我们的最小激光功率为2.16nW，响应率为27592A/W。由于响应度随激光功率的增加而减小，如果激光功率降低到0.2nW，那么我们的响应度将进一步增加。
- 结论
总之，我们制备了具有Au触点的高性能Bi2O2Se光电晶体管，其中包含两个背对背肖特基势垒(SBs)，从而产生光伏效应。在532nm光照下，sim;24mu;s的快速响应时间和27592A/W的最大光响应度归因于SB的形成。通过高分辨率光电流映射进一步证明了Bi2O2Se-Au电极的光伏效应核算。首先，Bi2O2Se光电晶体管的高性能表明了它们在光子学中的潜在应用。
参考
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