多層Bi2O2Seナノフィルムの近赤外光電特性

要約

多層Bi ₂の近赤外（NIR）光電特性 O ₂ Seナノフィルムはこの論文で体系的に研究された。多層Bi ₂ O ₂ Seナノフィルムは、高い光応答性（〜101 A / W）、速い応答時間（〜30 ms）、高い外部量子効率（〜20,300％）、高い検出率（1.9 ×10 ¹⁰ ジョーンズ）。これらの結果は、多層Bi ₂に基づくデバイスであることを示しています。 O ₂ Seナノフィルムは、超高速で高感度のNIRオプトエレクトロニクスデバイスにおける将来のアプリケーションに大きな可能性を秘めている可能性があります。

背景

赤外線（IR）光検出器は、軍事、商業、公共、および学術分野での繊細な用途以来、広く調査および研究されてきました[1,2,3]。過去10年間で、グラフェン、遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）、黒リンなどの2次元（2D）材料が、赤外線アプリケーションの大きな可能性を秘めた有望な候補として成長しました[4,5,6,7,8 、9]。極薄の厚さ、高度な機械的柔軟性、適切で調整可能なバンドギャップ、超高速オプトエレクトロニクス特性、簡単に調整できるファンデルワールスヘテロ構造など、2D材料の興味深い特性により、2D層状材料は次世代の競争力のあるIRメディアと見なされてきました。光検出器[10,11,12]。

ごく最近、層状ビスマスオキシセレニド（Bi ₂ O ₂ Se）は、高い電子移動度、超高速光応答、優れた環境安定性、および容易な化学蒸着（CVD）法による大量生産への容易なアクセスを備えた有望な2D半導体として発見され、電子およびオプトエレクトロニクスアプリケーションに魅力的です[7、 8、13、14、15]。以前は、He Jun etal。 [7]およびPengHailin etal。 [8]は、Bi ₂ O ₂ Seは、近赤外線（NIR）に対して優れた光電特性を持っていました。しかし、彼らは主に薄層のBi ₂に関心を持っていました O ₂ Se（厚さ〜7 nm）。 MoS ₂などの他の2Dマテリアルに関する事前調査 [16]およびMoSe ₂ [17、18]は、多層ナノフレークも単層または薄層と比較して並外れた光電性能を持っていることを示しました。実際、多層Bi ₂ O ₂ Seは薄層のBi ₂よりも魅力的かもしれません O ₂ 薄膜トランジスタ（TFT）構成のFETアプリケーション用のSe [16、19]。たとえば、多層Bi ₂の状態密度 O ₂ Seは薄層Bi ₂よりもはるかに高い O ₂ Seは、弾道限界でかなり高い駆動電流を生成する可能性があります[13、14]。長チャネルTFTでは、多層Bi ₂の電界効果によって複数の導電チャネルを作成できます。 O ₂ Seは、シリコンオンインシュレータMOSFETと同様にTFTの電流駆動を高めることができます[19]。さらに、多層Bi ₂ O ₂ Seは、薄層Bi ₂よりも広いスペクトル応答を提供します O ₂ Seは、バンドギャップが狭いため、さまざまな光検出器アプリケーションで有利になります[20]。それでも、多層Bi ₂ O ₂ Seベースの光検出器は、エレクトロニクスまたはオプトエレクトロニクスでの使用について広く研究されていません。

したがって、多層Bi ₂のNIR光電特性 O ₂ この論文では、Se（厚さ〜30 nm）を体系的に研究しました。多層Bi ₂ O ₂ Seベースの光検出器は、850〜1550 nmの超高感度光応答を示し、室温での再現性が良好です。その光応答性は1000nmで101A / Wに達し、立ち上がり時間は30 ms、減衰時間は60msです。薄層Bi ₂との比較 O ₂ Se、多層Bi ₂ O ₂ Seは、比較的高速な応答時間と高い検出率を維持しながら、より高い光応答性と外部量子効率を備えています。さらに、光電流は入射パワーに線形依存性を示し、多目的アプリケーションに優れた調整能力を提供します。これらの結果は、次世代の超高感度高性能NIR室温光検出器を開発する機会を提供します。

メソッド

Bi ₂の成長と特性評価 O ₂ Se

Bi ₂ O ₂ Seナノフィルムは、化学蒸着（CVD）法によって合成されました。 Bi ₂ O ₃ およびBi ₂ Se ₃ （Alfa Aesar）は水平管状炉（Lindberg / Blue M）の中央に配置され、マイカ基板（Tiancheng Fluorphlogopite Mica Company Ltd.、中国）は基板として下流に配置されました。炉は最初に640°Cに加熱され、上昇速度は30°C min ^-1 アルゴンガス流で60分間保持しました。最後に、炉を自然に室温まで冷却した。合成されたサンプルは、光学顕微鏡（Olympus BX51）、ラマンスペクトル（WiTec 300R）、原子間力顕微鏡（半接触モード、NT-MDT社）走査型電子顕微鏡（FEI社）によって特徴づけられました。ここでは、SEM特性評価の前に、雲母基板の電荷効果を回避するために、最初に10nmのアルミニウムを熱蒸着しました。

デバイス製造

多層Bi ₂に基づく光検出器 O ₂ Seは標準的なマイクロナノテクノロジーによって製造されました。ソースとドレインの接点は電子ビームリソグラフィーによって定義され、続いて電子ビーム蒸着を適用して5nmのCr / 50nmのAu金属スタックを堆積しました。 EBLプロセス中にマイカ基板に電荷が蓄積するのを防ぐために、導電性ポリマーフォトレジスト（SX AR-PC-5000）をEBLプロセスの前にマイカにスピンコーティングしたことに注意してください。最後に、デバイスをチップキャリアに接着して、さらに光電測定を行いました。

パフォーマンス測定

光電流測定は、自家製キセノンランプ（光源：BETICAL HDL-II）光検出プラットフォームによって実行されました。測定では、Keithley2450を使用してソース-ドレインバイアスを供給しました。ライトのオン/オフを切り替えることにより、オン/オフ状態でのドレイン電流が収集されました。さまざまな波長（850〜1550 nm）でのデバイスの光電応答は、さまざまなフィルターに置き換えることで取得できます。

結果と考察

図1aに示すように、層状のBi ₂ O ₂ Seは、I4 / mmm空間群を持つ正方晶構造を示し、平面共有結合した酸化物層（Bi ₂ O ₂ ）比較的弱い静電相互作用を持つSe正方形アレイに挟まれています[21]。この種の構造は雲母に似ています。したがって、2次元のBi ₂ O ₂ これまでのところ、Seナノフィルムはすべて化学蒸着（CVD）法によってマイカ基板上に合成されています[7、14、15]。図1bは、成長したままの多層Bi ₂の大きな面光学図を示しています。 O ₂ 雲母上のSeナノフィルム。ナノフィルムは均一で、ほぼ長方形の形状をしていることがはっきりとわかります。 Bi ₂の原子間力顕微鏡（AFM）画像 O ₂ 私たちの実験におけるSeナノフィルムを図1cに示します。単分子層の理論上の厚さ（約0.61 nm）[14、15]によると、30 nm（図1d）は約49層の厚さに相当します。図1eは、Bi ₂のXRDパターンを示しています。 O ₂ Seナノフィルム。識別可能なピークはすべて、Bi ₂の（00l）回折面に起因します。 O ₂ Se（結晶配向は c に沿っています -軸）、以前の研究[14]と一致します。特徴的なA _1g Bi ₂のピーク O ₂ Seは約159.1cm ^-1 にありますラマンスペクトル（図1f）で、これは以前の報告[22]とよく一致しています。図1gは、Bi ₂の典型的なI-V曲線を示しています。 O ₂ Seデバイス。優れた線形I-V曲線は、オーミック接触が形成されていることを示しています。その上、2D Bi ₂ O ₂ Seベースの光検出器は優れた環境安定性を示します。これは将来の実用的なアプリケーションの重要な指標です[14、15]。図1hから、デバイスの測定された長さと幅は、それぞれ29μmと91μmです。

図2aに示すように、多層Bi ₂の光電応答 O ₂ NIRに対するSeベースの光検出器は意図的に測定されました。ここでは、主に、軍事、商業、公共、および学術分野で広く適用されている通信帯域（1550 nm）でのデバイスのパフォーマンスについて説明します。図2bから、I _DS 光の強度が増すにつれて明らかに成長します。さらに、照明下のデバイスのI-V曲線は、見かけの開回路電圧と短絡電流を示していません。この事実は、電極と材料の間に形成されたショットキー障壁が、デバイスの輸送特性において極めて重要な役割を果たしていないことを示しています。したがって、材料の光電応答は主に光伝導効果に由来するはずです[10]。

光検出器の性能を評価するために、光応答性（ R ）、外部量子効率（η ）、および検出性（ D * ）は、次の式[10、17]で計算できる重要なパラメータです。

$$ R ={I} _ {ph} / PS $$（1）$$ \ eta \ left（\ lambda \ right）={R} _ {\ lambda} hc / q \ lambda $$（2）$ $ {D} ^ {\ ast} ={I} _ {ph} / P {\ left（2 qS {I} _d \ right）} ^ {1/2} $$（3）

ここで私 _ph 光電流（照射された（ I _i ）と暗い（ I _d ）状態）、 P は光の強さ、 S 有効領域、 h プランク定数 c は光速、λ は光の波長であり、 q 電荷。ここでは、暗電流がショットノイズの主な原因であると想定しているため、式（3）[7]に推論されます。この簡略化は、グラフェン[23]やWSe ₂などの2D層状材料の光応答を評価するために使用されています。 [24]。

図2cからわかるように、このデバイスは、数サイクル後に1550nmの光に対して非常に安定した再現性のある光応答を示します。その応答時間は非常に速く、立ち上がりで30ミリ秒、減衰で60ミリ秒に達する可能性があります。これは、成長したままの極薄のBi ₂ O ₂ Seナノフィルムには、表面トラップ状態がなく、欠陥エネルギーレベルが浅い。最後に、図2dに示すように、 I _ph I〜P の関係に従って、Pが増加すると単調に増加します。 ^α 。ここで、Bi ₂のαは0.99と推定されます。 O ₂ 実験データをフィッティングすることにより、光電流は主に吸収された光子の量によって決定されることを示唆している[7]。多層Bi ₂の光応答性 O ₂ Seベースの光検出器は約68A / Wであり、光検出器として非常に高い性能を発揮します。

次に、多層Bi ₂の光電応答性能 O ₂ NIR波長（850–1550 nm）に対するSeベースの光検出器が体系的に研究されました。上記の式（1）〜（3）による計算によると、光応答性、外部量子効率、および検出率が図3に示されています。このデバイスは、101Aに達するNIR帯域に対して非常に高い光応答性を持っていることがわかります。 / W（900 nm）。さらに、多層Bi ₂ O ₂ Seベースの光検出器は超高ηを所有しています、850 nmで20,000％を超えており、優れた光電変換能力を示しています。その検出率は1.9×10 ¹⁰ に達する可能性があります 900 nmで、光検出器として完全な信号対雑音比を示します。私たちの測定では、デバイスの暗電流は常に比較的安定した値（0.5μA）に維持されます。したがって、 D * の傾向（入射波長の関数として） R の傾向に似ています。明らかに、薄層のBi ₂と比較して O ₂ Seは参考文献によって報告されました。 [7]およびRef。 [8]、多層Bi ₂ O ₂ Seは、比較的速い応答時間と高い検出率を維持しながら、より高い光電応答性と外部量子効率（ソース-ドレインバイアス電圧、1 V、これは参考文献[7]および参考文献[8]と同じ）を備えています。注目すべきことに、Ref。 [8]は、ポンプ-プローブ技術による材料の固有の応答時間（1 ps）のみを報告しましたが、Bi ₂のデバイス応答時間は報告していません。 O ₂ Se光検出器[8]。

一般に、2D層状材料は、NIR検出範囲でこのような高感度をまだ示していません。たとえば、遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）は通常、IR光を検出するにはバンドギャップが大きすぎます[17]が、グラフェンの場合、高速光応答を示しますが、固有感度は数十mA / W未満と非常に低くなります[25]。光応答性は原子的にヘテロ構造を作製することで改善できますが[26、27、28]、それでもNIR検出では完全には機能しません。他の2D材料（表1）と比較して、多層Bi ₂ O ₂ Seベースの光検出器は、より優れた光電性能、特に高い R を示します。そして高いη 。注目すべきことに、多層Bi ₂の形状を最適化するために化学エッチングが適用された場合 O ₂ Seナノフィルム[15]を使用すると、デバイスのパフォーマンスがさらに向上する可能性があります。

<図>

Bi ₂の光応答物理プロセス O ₂ Seベースの光検出器は、簡単なエネルギーバンド図で説明できます（図4a）。照明がなく、ドレインバイアスが適用されていない場合、デバイスは平衡状態にあり、チャネルに電流は流れません。デバイスをNIR光で照らすと、電子-正孔対の光吸収と励起が発生します。これは、ドレイン-ソースバイアスを適用することで抽出できます[29、30、31]。 Bi ₂のショットキー障壁以降 O ₂ Se-金属の接触は非常に低く、光生成された電荷キャリアはバリアを簡単に通過する可能性があります[16、17、18]。したがって、多層Bi ₂ O ₂ Seベースの光検出器は優れた光電性能を示しました。

重要なのは、向上した光電性能のメカニズムについて議論する必要があるということです。理論的には、多層Bi ₂の光学吸着 O ₂ Seは薄層Bi ₂よりも高い O ₂ より高い光電流を誘発する可能性のあるSe I _ph [14、20]。入射パワー P（x） 距離の関数として x P（x）=P として表すことができます _in ・e ^−α・x 、ここでα Bi ₂の吸収係数です。 O ₂ 入射光子エネルギーでのSeナノフィルム。 Bi ₂のスラブによって吸収される電力量 O ₂ 厚さΔxのSe 距離 x 表面からは dR _a =−（dP / dx）・Δx 。次に、Bi ₂によって吸収される総電力 O ₂ 厚さ d のSeフィルム R です _a =P _in ・（1 − e ^−α・d ）。 α・d の場合 <<1、吸収された電力は R と書くことができます _a =P _in ・α・d [16、19]。ここで、厚さ d 私たちの実験では、Refの5倍と3倍です。 [7]およびRef。それぞれ[8]。実際のところ、多層Bi ₂ O ₂ 私たちの仕事のSeナノフィルムはより良い R 。ただし、光吸着の増加に伴い、多層Bi ₂ O ₂ Seには、状態密度（DOS）が高いなど、いくつかの欠点があります。そのため、単分子層（または薄層）と比較して、より多くの中間ギャップ状態が発生します[13、14]。図4bに示すように、デバイスが「オン状態」から「オフ状態」に変わると、多層Bi ₂のより高い帯域で励起された電子が発生します。 O ₂ Seは最初にミッドギャップ状態に移行し、次にグラウンドバンドに戻ります[16、17、19]。言い換えれば、キャリア寿命τ 必然的に傾斜します。デバイスが「オフ状態」から「オン状態」に変わるときにも同じ状況が発生します。興味深いことに、前の作品と比較して、多層Bi ₂ O ₂ Seナノフィルムの応答時間は依然として速く、多くのアプリケーションで満足されています[1,2,3]。これは、ミッドギャップ状態の存在がBi ₂の動的パフォーマンスに悪影響を及ぼさない可能性があることを意味します。 O ₂ Seナノフィルム。最後に、大幅に強化されたη 、2つの主な理由が極めて重要な役割を果たします。第一に、増加した層は入射光子の吸光度を改善します。さらに、ミッドギャップ状態の存在により、励起された電子の遷移チャネルを増やすことができます。したがって、η 大幅に増加します[16、19]。

結論

要約すると、多層Bi ₂の光電特性を示しました。 O ₂ Se（厚さ〜30 nm）ベースの光検出器。多層Bi ₂ O ₂ Seは、850〜1550 nmの超高感度光応答を示し、室温での再現性が高く、高い光応答性、迅速な応答時間、高い外部量子効率、高い検出率などを備えています。結果は、多層Bi ₂ O ₂ Seは薄層よりも比較的優れた光応答を示します。