光生載流子—基于II型異質結構實現快速紫外光電探測

　　背景介紹

　　ZnO是一種典型的寬禁帶半導體材料，具有相對較高的紫外吸收系數和電子遷移率，已成為紫外探測器的理想材料。同時，ZnO具備很好的抗輻射能力，能夠在各種環境下進行穩定工作。

　　但是，ZnO表面存在著大量懸掛鍵和表面態等缺陷。在光照時，表面缺陷作為陷阱態會捕獲光生載流子，這會產生嚴重的持續光電導效應，增加探測器的上升下降時間，極大地阻礙了ZnO光電探測器的性能。

　　通過量子點對ZnO進行表面修飾是提高探測器性能的重要方法。CdSe量子點具有帶隙可調、電子輸運可控、能帶結構匹配和制備工藝簡單等特性，采用CdSe量子點修飾ZnO光電探測器，對于提高光電探測器的響應性能具有重要意義。

　　創新工作

　　長春理工大學高功率半導體激光國家重點實驗室王登魁副研究員團隊采用化學氣相沉積技術和快速熱注入法分別合成ZnO微米線和CdSe量子點，并將CdSe量子點修飾在ZnO微米線表面以制備CdSe量子點修飾ZnO微米線紫外光電探測器。通過CdSe量子點的修飾，在ZnO微米線與表面修飾的CdSe量子點之間構成II型異質結構(圖1)。

　　異質結的界面處存在內建電場，在內建電場的作用下，電子向ZnO微米線表面遷移，空穴向CdSe量子點遷移，加快了光生載流子的分離，進而促使探測器的響應性能得到顯著提高。

　　圖1 CdSe量子點修飾ZnO微米線能帶結構示意圖

　　實驗測得，CdSe量子點修飾ZnO微米線紫外光電探測器的最大響應度為10.5 mA/W，較ZnO 微米線測器響應度提高了6倍。同時，探測器的響應時間也大幅縮短，上升和下降時間分別縮短了87.7%和76.2%。圖2為CdSe量子點修飾前后探測器響應時間的對比圖。

　　圖2 CdSe量子點修飾ZnO微米線前后探測器的響應時間。(a)ZnO微米線光電探測的響應時間;(b)CdSe量子點修飾ZnO微米線光電探測器的響應時間

　　為了研究退火對CdSe量子點修飾的ZnO微米線探測器光電性能的影響，將CdSe量子點修飾的ZnO微米線在Ar氣氛下600 ℃退火30 min。圖3為退火前后CdSe量子點修飾ZnO微米線光電探測器的光暗電流隨溫度變化的曲線圖。

　　圖3 退火前后CdSe量子點修飾ZnO 微米線光電探測器的光和暗電流隨溫度變化的曲線圖

　　退火前，隨著溫度升高，ZnO表面吸附的氧分子獲得能量從表面解吸并釋放自由電子，自由電子濃度的提高促使光電流逐漸上升。退火處理可顯著改善ZnO微米線的結晶質量，進而促進電子空穴對的轉移，使光電流顯著提高。然而，隨著溫度的繼續升高，光電流因聲子散射的不斷加劇而緩慢下降。

　　因此，通過退火處理可以顯著改善光電探測器的光電響應性能及光響應速度，且在200 K時，探測器獲得最佳的光電性能。

　　總結與展望

　　課題組通過CdSe量子點對ZnO微米線表面修飾，顯著提高了ZnO基光電探測器的響應性能。利用II型異質結構及表面鈍化的工作原理，探測器的響應時間得到大幅縮短，證明了CdSe量子點的修飾對于提高ZnO基光電探測器的性能具有重要作用。

　　CdSe量子點的量子效應可以實現能帶的調制及在可見光不同波長范圍內的光譜響應，基于此，課題組下一步預計將制備的不同尺寸的CdSe量子點與ZnO微米線相結合，利用II異質結構的電子輸運機制，實現探測器的紫外-可見多波長光電探測性能。

參考文獻： 中國光學期刊網

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