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固体所在高性能紫外光探测器方面取得进展
文章来源: 潘书生 发布时间: 2017-09-07

  近期,固体所李广海研究员课题组在高性能紫外光探测薄膜器件方面取得进展,相关结果发表在ACS Applied Materials & Interfaces(ACS Appl. Mater. Inter. 9, 28737 (2017)),并申请国家发明专利2件。

  紫外探测器在空间天文望远镜、军事导弹预警、非视距保密光通信、海上破雾引航、高压电晕监测、野外火灾遥感及生化检测等方面,都具有非常广泛的应用前景。但在实际应用时,由于自然环境的不确定性,待测目标的外光强度通常不高;而且环境中存在着大量对紫外光具有强吸收和散射能力的气体分子或尘埃,导致最终到达探测器可检测的紫外光信号非常弱。因此,提高紫外探测器对弱光的探测能力至关重要。探测率(detectivity)是衡量探测器件对弱光检测能力的重要指标,探测率由响应度responsivity和暗电流密度共同决定。响应度越高,暗电流密度越低,器件的探测率越高。高探测率更有利于弱紫外光的探测。然而,对于大部分半导体光导探测器而言,响应度高的器件常常伴随着较高的暗电流;提高材料质量,减少缺陷可以降低器件暗电流,但响应度随之减小。因此,器件探测率难以提升,限制了光导探测器在弱紫外光检测方面的应用。 

  针对上述问题,课题组潘书生副研究员等在前期透明高阻薄膜的研究基础上(J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 135102 (2016)),提出以中间带半导体为核心材料构筑紫外探测器的新方法。中间带由于具有高态密度,能够有效俘陷本征缺陷在导带上产生的电子,从而降低器件暗电流;另一方面,光照时,中间带上储存的载流子能补充到价带上,并被光激发至导带贡献光电流,因此中间带半导体材料紫外探测器能够实现在降低暗电流的同时,保持器件较高的响应度。采用磁控反应溅射技术,沉积Bi掺杂SnO2薄膜,并通过优化实验设计和参数,成功构筑出了基于中间带半导体薄膜的光导型紫外探测器件。性能测试结果显示,器件暗电流降低至0.25nA280nm波长紫外光响应度达到60A/W外量子效率为2.9×104%,探测率达到6.1×1015Jones,紫外-可见光抑制比达103量级。器件的动态范围高达195dB,这说明Bi掺杂SnO2薄膜光导探测器不仅可以检测极其微弱的紫外光(等效每秒300紫外光子),对于较强的紫外光也可以探测。该工作被三位审稿人认为是一项“novel topic”“very good”以及“very important”的工作。 

  该研究工作得到了国家自然科学基金和固体所所长基金等项目的支持。 

  文章链接:http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b06058 

  http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0022-3727/49/13/135102 

 

  1. Bi掺杂SnO2薄膜光导探测器件性能:(a) 响应度,(b) 外量子效率,(c) 探测率和 (d) 噪声等效功率。 

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