低維寬禁帶半導(dǎo)體紫外光探測(cè)器

近日，復(fù)旦大學(xué)光電研究院青年副研究員李自清在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Reviews Materials上發(fā)表題為“Low-dimensional wide-bandgap semiconductors for UV photodetectors”的綜述論文。光電研究院青年教師李自清和材料科學(xué)系博士研究生嚴(yán)婷婷是論文共同第一作者，光電研究院、材料科學(xué)系方曉生教授是通訊作者。

精確的紫外光檢測(cè)是現(xiàn)代光電技術(shù)的重要組成部分，現(xiàn)階段的紫外光探測(cè)器主要基于寬禁帶半導(dǎo)體，例如，III-V半導(dǎo)體。然而，傳統(tǒng)的寬禁帶半導(dǎo)體在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了瓶頸，難以兼顧高集成度和高柔性。有鑒于此，低維寬禁帶半導(dǎo)體由于具有合適的紫外光吸收范圍、可調(diào)節(jié)的光電性能以及良好的襯底兼容性等優(yōu)勢(shì)，在多種紫外光工作場(chǎng)景中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

基于低維寬禁帶半導(dǎo)體的紫外光探測(cè)器在成像、通訊、多光譜探測(cè)、弱光探測(cè)、可穿戴電子等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本論文聚焦于低維寬禁帶半導(dǎo)體光電探測(cè)器領(lǐng)域的進(jìn)展、挑戰(zhàn)和展望，討論了寬禁帶半導(dǎo)體如何在材料設(shè)計(jì)、維度工程、器件工程等方面調(diào)控形貌結(jié)構(gòu)和光電性能，并闡釋了材料生長(zhǎng)、器件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)景的內(nèi)在聯(lián)系。

低維紫外光探測(cè)器的應(yīng)用和市場(chǎng)前景

隨著傳感技術(shù)的普及，紫外光探測(cè)器的市場(chǎng)覆蓋了多種消費(fèi)電子和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域（如下圖a），包括自動(dòng)駕駛、制藥、生物診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)和工業(yè)監(jiān)控等。其中，消費(fèi)電子（智能手機(jī)、平板、手表、筆記本等）在制造過程中依賴紫外光消毒，因而對(duì)紫外光探測(cè)器的需求巨大。同時(shí)，紫外消毒產(chǎn)業(yè)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的需求日益凸顯，特別是新冠疫情期間，需要紫外光探測(cè)器來檢測(cè)環(huán)境的紫外光水平。另外，在包裝工業(yè)、發(fā)酵工業(yè)、日常生活中，紫外光探測(cè)器都有重要的應(yīng)用。如下圖b所示，通過不斷減小尺寸，體塊的寬禁帶半導(dǎo)體可以發(fā)展為低維納米材料（二維材料、一維納米線和零維量子點(diǎn)），從而展現(xiàn)出機(jī)械柔性和獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)。

這些低維的納米材料可以進(jìn)一步組裝成大面積有序的體材料，包括晶圓級(jí)薄膜、納米線陣列和量子點(diǎn)超晶格。最終，設(shè)計(jì)和優(yōu)化出高性能的紫外光探測(cè)器，制造出可穿戴的、智能的和多功能集成的光芯片，以滿足不斷增長(zhǎng)的紫外光芯片需求。

低維寬禁帶半導(dǎo)體的材料設(shè)計(jì)、維度工程和功能化應(yīng)用

論文首先介紹了如何將低維寬禁帶半導(dǎo)體組裝成有序的體材料，針對(duì)二維、一維、零維的納米材料，總結(jié)了晶圓級(jí)單晶薄膜、柔性單晶薄膜、大面積納米線陣列、量子點(diǎn)超晶格等大面積材料的可靠制備方法，并闡釋了自對(duì)準(zhǔn)外延、金屬單晶襯底外延、遠(yuǎn)程外延、模版輔助外延等生長(zhǎng)方法的基本原理和準(zhǔn)則。其中，遠(yuǎn)程外延在制備大面積、自支撐的寬禁帶半導(dǎo)體上已經(jīng)有了成功的實(shí)踐，而組裝寬禁帶半導(dǎo)體的零維超晶格仍需要開展大量的研究工作。

隨后，明確指出目前的紫外光探測(cè)材料在UVC（200-280 nm）波段的靈敏度落后于UVB（280-320 nm）和UVA（320-400 nm）波段，同時(shí)，零維寬禁帶半導(dǎo)體的響應(yīng)速度滯后，依然限制在毫秒的階段。針對(duì)上述問題，深入討論了低維寬禁帶半導(dǎo)體的維度調(diào)控及其對(duì)光電性能的影響，包括二維材料的層數(shù)依賴光學(xué)特性、一維納米線/零維量子點(diǎn)的紫外光吸收增強(qiáng)、軸向/徑向納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自驅(qū)動(dòng)性能以及組分工程調(diào)控光帶隙等。這些策略為優(yōu)化低維寬禁帶半導(dǎo)體的紫外光探測(cè)性能指明了方向。

在材料設(shè)計(jì)和維度工程的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)電荷注入結(jié)構(gòu)、納米線異質(zhì)結(jié)、p-n異質(zhì)結(jié)等器件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)感存算一體、雙極性響應(yīng)、負(fù)響應(yīng)等新原理的紫外光探測(cè)器，有望應(yīng)用于高集成度的圖像傳感器、可重構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)視覺傳感器和用于加密的光編碼器等領(lǐng)域。并進(jìn)一步梳理了紫外光探測(cè)器在柔性電子、紫外成像、弱光探測(cè)和多光譜探測(cè)等領(lǐng)域的重要應(yīng)用。

最后，針對(duì)紫外光探測(cè)器廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，探討了基于新材料、新結(jié)構(gòu)、新原理的低維寬禁帶紫外光探測(cè)器的未來研究展望，諸如設(shè)計(jì)出超寬帶隙的低維寬禁帶半導(dǎo)體、組裝成柔性紫外光探測(cè)系統(tǒng)以及構(gòu)建出片上的紫外光互聯(lián)系統(tǒng)等。

審核編輯：劉清