封面 | 石墨烯-氮化物范德华异质结型紫外光电探测及成像

Photonics Research 2024年第9期On the Cover：

YuanyuanYue, Yang Chen, Jianhua Jiang, Lin Yao, Haiyu Wang, Shanli Zhang, Yuping Jia, Ke Jiang, Xiaojuan Sun, Dabing Li, “Configuration design of a 2D graphene/3D AlGaN van der Waals junction for high-sensitivity and self-powered ultraviolet detection and imaging,” Photonics Res. 12, 1858 (2024)

日盲紫外探测可用于捕获目标发射波长在200~280 nm的紫外光，且由于大气层对该波段太阳光的吸收作用，其对人造目标的识别和监测具有环境噪声低和准确性高等优势。第三代氮化物半导体具有宽的可调直接带隙，其本征光吸收可完全覆盖日盲紫外波段，是制备日盲紫外光电探测器的优选材料之一。二维石墨烯具有原子层厚度，可作为紫外光高透过“窗口”，其超高的载流子迁移率、环境稳定性和机械柔性也为紫外光电探测器的多样化设计提供了无限可能。更重要地，二维石墨烯表面无悬挂键，与氮化物形成的范德华异质结具有理想结界面特性，凸显其作为氮化物“理想搭档”在紫外光电探测器中的独特优势。

当前已报道的石墨烯-氮化物范德华异质结型紫外光电探测器主要分为水平结构和垂直结构两种类型，但垂直结构器件通常需要在结界面引入电介质层或刻蚀形成“台面”，其制备工艺和技术难度相对较高。此外，具有不同器件结构的紫外光电探测器表现出显著的响应特性差异，需要对其工作机理和差异化应用开展系统研究，目前该类型器件在应用端的潜在需求仍不明确。

为此，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所黎大兵研究员团队与吉林财经大学岳圆圆博士（第一作者）、吉林大学王海宇教授围绕石墨烯-氮化物范德华异质结型紫外光电探测器开展合作研究，提出环形电极结构设计，仅通过调控环形电极与石墨烯相对位置即可实现具有水平或垂直结构的探测器，垂直结构器件无需介质插入层。该工作系统地研究了两种器件结构的响应特性和工作机理差异，分别实现了具有高灵敏度（3.88×10¹² Jones, 2 V）和自驱动能力（1.34×10¹¹ Jones, 0 V）的紫外探测器阵列成像应用，阐明了石墨烯-氮化物范德华异质结型紫外光电探测器在需求端的具体应用场景。相关研究成果以“Configuration design of a 2D graphene/3D AlGaN van der Waals junction for high-sensitivity and self-powered ultraviolet detection and imaging”为题发表于Photonics Research 2024年第9期，被遴选为封面文章。

图1展示了基于水平结构和垂直结构石墨烯-氮化物范德华异质结的紫外光电探测器。器件采用内嵌式的环形金属电极设计，能够增加内外金属电极的有效作用长度，优化外加偏压电场分布并促进光生载流子收集。相较于水平结构，仅通过刻蚀石墨烯图形并与外环金属电极分离即可实现垂直结构紫外光电探测器。

图1 (a)水平结构和(b)垂直结构紫外光电探测器示意图

如图2所示，在水平结构探测器中，氮化物吸收光子产生电子-空穴对，在界面结电场作用下分离，光生电子漂移进入石墨烯与其固有空穴复合，使电导率下降并产生负光电响应。此外，氮化物中的陷阱态使光生载流子寿命提高，水平结构探测器表现为持续光电导效应和高增益。垂直结构探测器的暗电流扫描为典型的整流特性曲线，器件在零偏压下的响应光/暗电流比值达到10⁵，表明其适用于自驱动光电探测应用，且器件的响应/恢复速度显著提高。而非平衡光生载流子在范德华异质结两侧的积累将形成与结电场方向相反的光生电场，开路状态下的光生电动势达到0.21 V；无需外加偏压，外电路闭合后光生电场将驱动载流子回流形成响应光电流。

如图3所示，该团队制备了紫外光电探测器阵列，并对其成像特性进行对比研究。对于垂直结构器件阵列，其在零偏压下即可对“+”目标快速成像，图像识别的对比度较高且具有时间稳定性，表明其适用于深空或其它无人区等特殊环境的探测应用。水平结构器件阵列也能够获得高清晰度的目标图形，且随时间累积成像清晰度逐渐增强，通过延长目标图形取样时间并进行信号累积，可用于识别弱光发射的静态目标。此外，其在初始几秒内光生电信号快速增强，长时间后趋于稳定，能用于模拟人脑的识别和记忆功能，对于发展仿生视觉成像应用具有重要意义。

图3 (a-b)探测器阵列成像测试和(c)工作示意图；(d)垂直结构和(e)水平结构探测器阵列成像图

黎大兵研究员表示：“氮化物基日盲紫外探测器由于其工作波段的特殊性，具有环境背景噪声低和目标识别精度高的特点，在多领域展现广阔的应用前景。本工作通过构建石墨烯-氮化物范德华异质结，促进多材料体系间优势互补，实现了日盲紫外光电探测器的结构优化和响应能力提升；设计并制备了无需介质插入层的水平结构和垂直结构紫外光电探测器，阐明了二者差异化的响应特性和工作机理，其阵列成像应用验证了范德华异质结型紫外光电探测器面向需求端的灵活可调性，对新型多功能日盲紫外光电子器件的结构设计和应用开发具有重要指导意义。”

作者简介

岳圆圆，吉林财经大学管理科学与信息工程学院讲师、硕士生导师。2021年于吉林大学获得博士学位，主要从事二维材料生长及其异质结的超快动力学研究。以第一作者在Laser & Photonics Reviews、Photonics Research、Nanotechnology等期刊发表SCI论文7篇，合作发表论文20余篇；主持吉林省科技厅青年成长科技项目和吉林省教育厅科技研究项目等3项。

陈洋，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副研究员、硕士生导师，入选第九届中国科学技术协会青年人才托举工程，获得中国科学院长春光机所“曙光”人才项目资助。围绕大失配异质外延氮化物材料质量和器件性能瓶颈开展研究，以第一/通讯作者在Advanced Science、Small、Advanced Optical Materials等期刊发表SCI论文20余篇，申请/授权国家发明专利30余件。主持国家自然科学基金面上项目、青年科学基金和国家重点研发计划课题（参与单位）等省部级以上项目/课题6项。

孙晓娟，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事AlGaN宽禁带半导体光电子材料与器件研究，揭示了材料缺陷演变规律并构建出多种新机制探测器件，成功研制远深紫外LED。作为项目负责人承担国家重点研发计划项目、国家自然科学基金联合重点项目等项目10余项。发表SCI论文80余篇，申请/授权发明专利80余件。获得“中国科学院青年创新促进会优秀会员”、“第四届CASA第三代半导体卓越创新青年”、第十七届吉林省青年科技奖等奖励。担任《人工晶体学报》《半导体学报》和《发光学报》等期刊青年编委及Scientific Reports、ACS等学术期刊审稿人。

黎大兵，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员、博士生导师，特种发光科学与技术重点实验室主任，国家杰出青年科学基金获得者、科技部中青年创新领军人才，享受国务院政府特殊津贴。主要从事氮化物材料与光电器件研究，突破了氮化物材料与器件制备关键技术，取得了系列创新性成果。主持国家自然科学基金创新研究群体项目、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目和国家重点研发计划等项目20余项。在Physical Review Letters、Advanced Materials等国际期刊发表SCI论文100余篇，申请/授权国家发明专利80余件。担任第三代半导体产业技术战略联盟青委会副主任委员、电子学会青年工作委员会副主任委员以及Scientific Reports、Quantum Engineering等期刊编委。

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[3].Kai Wang, Xinjia Qiu, Zesheng Lv, Zhiyuan Song, Hao Jiang, "Ultrahigh detectivity, high-speed and low-dark current AlGaN solar-blind heterojunction field-effect phototransistors realized using dual-float-photogating effect," Photonics Res. 10, 111 (2022)