Adv. Funct. Mater. :高温下长效稳定服役的高性能SiC纳米带光电探测器

【引言】

随着科技的不断的发展，探索能在高温等恶劣条件下稳定服役的光电探测器(PD)，是当前研究的挑战之一。常规硅半导体基PD的工作温度通常低于125℃，难以满足上述应用。碳化硅(SiC)是第三代半导体，具有宽禁带、高击穿场强、高热导率以及突出的稳定性，在研发高温、高压、高功率和高辐射等苛刻工作环境下服役的光电器件上，优势显著。此外，与传统体材料相比，一维纳米结构具有近完美的晶体结构、高比表面积以及与其尺寸相当的德拜长度，且其一维结构能够强化其载流子输运，有利于构筑具有高响应度、快速响应速度和高外量子效率(EQE)的PD。

【成果简介】

近日，宁波工程学院杨为佑教授、北京科技大学侯新梅教授、复旦大学方晓生教授(共同通讯作者)等采用有机前驱体热解工艺，合成了B掺杂3C-SiC纳米带，实现了以3C-SiC纳米带光电探测器(PD)的研发，相关成果在Adv. Funct. Mater.上发表了题为“High-Performance SiC Nanobelt Photodetectors with Long-Term Stability Against 300 °C up to 180 Days”的研究论文。该PD在405 nm光激发下，具有6.37×10⁵ A·W^-1的响应度和2.0×10⁸%的外量子效率，探测率为6.86×10¹⁴ Jones。此外，B掺杂3C-SiC纳米带PD在300℃高温下180天内，展现出良好的长效稳定性。

【图文简介】
图1 B掺杂纳米带的形貌表征

a-c) 不同放大倍数下B掺杂纳米带的SEM图；
d) 单根B掺杂纳米带的TEM图；
e) d图中A区域的相应SAED图；
f) B掺杂前后纳米带的XRD图。

图2 B掺杂的3C-SiC纳米带的表面元素分析

a) B掺杂3C-SiC纳米带的XPS全谱；
b) B掺杂3C-SiC纳米带的Si 2p XPS谱；
c) B掺杂3C-SiC纳米带的C 1s XPS谱；
d) B掺杂3C-SiC纳米带的B 1s XPS谱。

图3 B掺杂SiC纳米带的光吸收特性及其PD构筑

a) B掺杂前后SiC纳米带的吸收光谱；
b) B掺杂前后纳米带的带系变化曲线图；
c) 单根SiC纳米带PD结构示意图；
d) 单根SiC纳米带PD的SEM图。

图4 B掺杂SiC纳米带光PD的I-V特性

a,b) 单根未掺杂和具有不同B掺杂量的SiC纳米带PD在黑暗和405 nm光照下I-V曲线；
c,d) 5V偏压下，0.31 mol% B掺杂SiC纳米带PD在黑暗和405 nm光照下I-V和对数I-V特性曲线。

图5 B掺杂SiC纳米带PD的响应速度

a) 在405 nm光照、5 V偏压下，单根0.31 mol% B掺杂SiC纳米带PD的开/关特性；
b,c) 1 Hz频率斩波的405 nm光脉冲照射下的瞬态响应。

图6 B掺杂SiC纳米带光PD的光谱响应率和外量子效率

a) 5.0 V偏压、波长范围为250-700 nm时，0.31 mol% B掺杂单根SiC纳米带PD的光响应；
b) 不同波长下PD的外量子效率和探测率；
c) 5V偏压下，不同光强下PD的时间-响应曲线；
d) 在入射光波长405 nm下光电流随光强的变化。

图7 B掺杂SiC纳米带PD的高温稳定性

a) 在5.0 V偏压、405 nm光照下，B掺杂SiC纳米带PD在25-300 ℃不同温度下的光响应曲线；
b) B掺杂SiC纳米带PD在室温和300℃下180天服役的I-t特性。

【小结】

综上所述，作者实现了B掺杂SiC纳米带高性能PD研发，在405 nm光激发下的响应度为6.37×10⁵ A·W^-1，外量子效率为2.0×10⁸ %，探测率为6.86×10¹⁴ Jones，响应时间为0.05 s，并且在300℃高温环境下展现出180天的长效稳定性，表明该PD在高温等苛刻服役条件下，具有潜在的应用前景。

文献链接：High-Performance SiC Nanobelt Photodetectors with Long-Term Stability Against 300 °C up to 180 Days (Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201806250)

本文由材料人编辑部abc940504【肖杰】编译整理。

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