研究背景
自驱动光电探测器（SPPD）基于半导体异质结光伏效应，在没有外部电源的情况下，可自发产生并分离光生电子-空穴对，在光通信和光电成像系统中具有广阔的应用前景。近年来，SPPD的研究重点是基于多种半导体材料，构筑异质结，提高器件的光电探测性能。然而，目前SPPD器件的关键光探测参数，特别是在响应度和响应时间，仍与常规半导体光电探测器有较大差距。由此，在探索新型异质结种类之外，对异质结性能的调控技术和相关的工艺开发也非常重要。新材料体系与新调控技术二者结合，将能够有效进一步提升SPPD的器件性能。
得益于优异的光电性能，Sb2Se3这种SPPD的代表材料，在器件应用上具有巨大的潜力。该材料在与如ZnO等半导体组成异质结后，器件的响应光谱可以覆盖紫外到近红外波段，且探测率和响应速度均有所提升。并且，Sb2Se3/ZnO异质结的制备工艺较为简单，这为研究SPPD异质结的调控工艺，提升器件的光电探测性能，提供了理想的研究材料体系。
成果介绍
有鉴于此，近日南开大学张毅教授，北京理工大学武旭教授（共同通讯作者）等报道了一种基于Sb2Se3/ZnO异质结改性的高性能SPPD，该光电探测器具有宽光谱(紫外—近红外)检测能力，其响应度和探测率分别为0.38 A/W和1.40 × 1013 Jones。此外响应时间可达到93.5/75.0 ns，这是目前为止Sb2Se3基光电探测器报道的最快循环响应时间。同时，团队基于材料表征结果，深入开展了ZnO后退火的电阻调控机制，并证实了制备成像阵列的实用性。该研究提出了一种制造面向应用的SPPD的有效方法，使制备的探测器与商用半导体探测器的性能相当。文章以“Ultra-High Performance Broadband Self-Powered Photodetector Based on Modified Sb2Se3/ZnO Heterojunction”为题发表在著名期刊Advanced Optical Materials上（Adv. Optical. Mater. 2024 2402264），南开大学电子信息与光学工程学院2021级博士生李建鹏为该论文的第一作者。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委等项目的资助。
图文导读
图1. (a) 基于 Sb2Se3/ZnO异质结的SPPD制备工艺示意图。(b) ZnO退火后ITO/ZnO/Sb2Se3/Au结构的SEM横截面。(c) 紫外光下的器件测试（左）和光电探测器阵列（右）实物照片图。
图2. 控制样和处理样照在(a) 405 nm和(b) 850 nm光照下的I-V。控制样和处理样的(c) 响应度(d) 和探测率参数。两个器件的纳秒级(e) 上升时间和(f) 衰减时间。
图3. (a) 响应时间测量示意图。(b) 器件在不同频率的方波光信号照射下的时间光响应。(c) -3 dB截止频率为2.5 MHz。(d) 2.5 MHz下响应时间为93.5/75.0 ns。
图4. (a) ZnO薄膜的制备及处理工艺。(b) 退火前后ZnO薄膜的O1s分布。(c) 退火前后ZnO薄膜的透射光谱(插图为各自带隙)。(d) 退火前后ZnO薄膜的电阻变化。(e) 控制样和处理样中载流子扩散和漂移的示意图。
图5. 基于Sb2Se3/ZnO异质结的光电成像阵列成像测试结果图。实现了复杂图形字母N、K,、U的近红外光电成像。
总结与展望
本文展示了一种对Sb2Se3/ZnO异质结的调控方法，并且基于调控后的异质结制备了高性能的SPPD。通过对比测量，可以看到该调控方法，大幅度增强了SPPD的响应度和探测率（0.38 A/W和1.40 × 1013 Jones），并且使器件的响应时间从毫秒级提升至纳秒级（93.5/75.0 ns），可以实现从紫外至近红外波段的宽光谱成像。这项研究为基于SPPD的光电探测器的开发提供了重要的性能调控工艺。
文献信息
Ultra-High Performance Broadband Self-Powered Photodetector Based on Modified Sb2Se3/ZnO Heterojunction
(Adv. Optical. Mater. 2024 2402264)
文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202402264
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