基于大面积InGaAs和InP PIN结构的高性能可见光-短波红外柔性光电探测器
2022-05-28 16:40:28   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近日，一支由中国科学院物理研究所、中国科学院大学、齐鲁工业大学（山东省科学院）等科研机构的研究人员组成的研究团队在Scientific Reports期刊上发表了基于大面积InGaAs/InP PIN结构的高性能可见光-短波红外（SWIR）柔性光电探测器的最新论文，这种稳定、高性能的新型光电探测器有望应用于柔性宽光谱检测。

图1 器件制造示意图：（a）制造工艺流程图。（b）基于ITO-PET柔性衬底制造的InGaAs PIN柔性光电探测器的横截面结构。

柔性光电子器件的新兴应用在柔性成像/显示屏、传感器、短距离数据通信、太阳能电池等领域蓬勃发展。作为柔性光电系统不可或缺的组成部分，柔性光电探测器（PD）在紫外（UV）、可见光（VIS）、近红外（NIR）等窄带区域光响应和宽带光响应方面得到了广泛的研究和突破。

虽然可见光或近红外有机基光电探测器已经取得了很大的进展，但也存在一些关键瓶颈，如大带隙、弱吸收以及近红外区域电荷生成不良等，导致其性能较差。

近年来，基于无机材料与有机衬底相结合的多光谱光电探测器技术取得了重大进展，它们充分利用了无机材料的高性能和有机材料的机械柔韧性。采用宽带隙的氧化锌（ZnO）、铟镓锌氧化物（InGaZnO，IGZO）和氧化镓（Ga₂O₃）的柔性紫外光电探测器展示了良好的光响应性能和柔韧性。无机半导体纳米线（NW）和石墨烯、过渡金属二卤化物（TMDC）等2D材料也被应用于柔性光电探测器中，由于其独特的电子结构、易于制造、宽光谱吸收和柔韧性，在紫外到近红外范围内取得了巨大进展。

特别是基于有机衬底的TMDC，如PET上的二硫化钼（MoS₂）、二硒化钨（WSe₂）或纸上的MoS₂/WSe₂，实现了先进的柔性可见光探测器，该探测器具有高响应性和量子效率、制备方案成本低、器件制备面积大的优点。此外，TMDC、IGZO和硅（Si）基材料已经实现了宽带光探测，通过利用不同的超结构（superstructure）或纳米结构进行表面“装饰”来增强对光的吸收。

然而，利用上述材料实现的柔性光电探测虽然能够覆盖紫外、可见光和近红外，但对短波红外没有响应。上述光电探测器的响应时间超过毫秒，无法应用于柔性通信设备、生物标志检测等高速检测。

众所周知，砷化铟镓（InGaAs）合金是高速电子器件、红外光电探测器和激光器有源区的关键部件。In_xGa_1-xAs光电探测器可以针对0.4 μm-3.6 μm光谱范围内的任何波长进行优化。In_0.53Ga_0.47As与磷化铟（InP）晶格匹配。In_0.53Ga_0.47As的带隙为0.74 eV，覆盖1310 nm和1550 nm低损耗通信应用波长。In_0.53Ga_0.47As的电子迁移率为12000cm²/Vs，接近Si的10倍。结合目前成熟的III-V半导体器件制造技术，In_0.53Ga_0.47As/InP光电探测器已在夜视、检测、农业分拣等领域得到广泛应用和商业化。

图2 InGaAs柔性薄膜光电探测器和InGaAs刚性光电探测器在300K时的响应光谱。

因此，在本论文中，通过使用牺牲层将外延层从其原生衬底上剥离并将其转移到柔性主载体上，作者们实现了探测率为5.18×10¹¹cm·√Hz/W的柔性InGaAs薄膜光电探测器。他们采用侧壁钝化简化了InGaAs光电探测器的制造工艺，获得了工作波长为640至1700nm的大面积柔性光电探测器，其对1550 nm的短波红外的响应速度快到足以达到MHz响应水平。此外，这种柔性光电探测器的光电性能在弯曲状态下保持稳定，作者们对其物理机制也进行了详细研究。作为一种具有传统刚性光电探测器高性能的基于III-V材料的柔性光电探测器，人们可以设想它将在从可见光到短波红外范围的新型生物集成光电系统、柔性消费电子产品和可穿戴传感器中发挥重要作用。

图3（a）柔性PET衬底上制造的大面积（3×3 mm²）InGaAs光电探测器的放大视图。（b）测量原理和相应模型的示意图。（c, d）制造的柔性InGaAs光电探测器分别在向上弯曲和向下弯曲测试中的示意图。

图4 弯曲条件下的柔性光电探测器表征：向上和向下弯曲条件下探测器的电流密度-偏置电压（J-V）响应。

这项研究工作得到了中国国家自然科学基金（62004218、61991441）、中国科学院青年创新促进会（2021005）和中国科学院战略性先导科技专项（XDB01000000）的资助。

论文信息：

Li, X., Zhang, J., Yue, C. et al. High performance visible-SWIR flexible photodetector based on large-area InGaAs/InP PIN structure. Sci Rep 12, 7681(2022).

https://doi.org/10.1038/s41598-022-11946-7

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