二维p-GaSe/n-InSe垂直异质结的可控制备及其光探测性能研究

Two-dimensional (2D) p-n vertical heterostructure has many advantages such as strong light-matter interaction, efficient interfacial charge transfer and excellent opto-electronic properties, rendering them promising candidates for multi-functional photodetectors application, which has become a research front and hotspot. In this project, we adopt a space-confined chemical vapor deposition –two steps strategy combined method to realize controllable synthesis of 2D p-GaSe/n-InSe vertical heterostructure, and further investigates the performance of its photodetector. First, the influence of growth conditions on the morphology, size, thickness and crystal quality of heterostructure will be investigated and the formation mechanism will also be explored. Then, the effects of heterojunction interface interaction on the optical and electrical properties of heterostructure will be studied by utilizing several microscopic characterization techniques and spectroscopic measurement methods. Finally, a photodetector based on 2D p-GaSe/n-InSe vertical heterostructure will be constructed. The separation, transportation and recombination process of carriers of the heterostructure under built-in electric field will be explored. Furthermore, the relationship between the microstructure, optical and electrical properties of heterostructure and device performance will be established. Based on the above results, we will obtain low power consumption, fast and broadband photoresponse multi-functional photodetector. We believe this project will provide theoretical basis and technology support for the development of 2D p-n vertical heterostructure and its optoelectronic application.

二维p-n垂直异质结具有强光-物质相互作用、高效界面电荷转移及优异光电特性，在新型多功能光探测器件领域极具应用潜力，是当前的研究前沿与热点。本项目拟采用空间限域化学气相沉积-两步法策略，实现高质量结区的二维p-GaSe/n-InSe垂直异质结的可控制备，并对其光探测性能展开研究。首先，研究生长条件对异质结的形貌、尺寸、厚度及结晶质量等的影响规律，并探索其生长机制；然后，通过对异质结进行多种显微表征和光谱测试，研究异质结微观结构和界面相互作用对异质结光学和电学性质的影响；最后，构筑二维p-GaSe/n-InSe垂直异质结光探测器件，探索异质结在内建电场作用下载流子分离、输运及复合等过程，建立异质结的微观结构-光电性质-器件性能之间的关系，实现低功耗、快速、宽光谱响应的高效多功能光探测器件的构筑。本项目的研究将为二维p-n垂直异质结的发展与光电应用提供理论依据与技术支持。

开发与设计低功耗、快速、宽光谱响应的高效多功能光探测器是该领域的一个挑战。本课题提出了构筑二维垂直异质结的手段来实现高效多功能光探测器，主要研究成果包括：首先选择具有丰富的电子能带结构和特殊的物理性能的III-VI族半导体化合物为研究对象，采用空间限域-化学气相沉积法实现InSe、In2Se3和GaSe材料厚度、形貌和尺寸的可控合成，获得了良好晶体结构的高性能半导体材料，并揭示了材料气相反应过程中的生长机制，借助材料结构表征、Raman和非线性光学等测试手段，深入分析材料厚度、晶体结构与光学、电学性质之间的关系；然后，在以上生长工艺基础上，采用CVD两步法探索了二维p-GaSe/n-InSe垂直异质结的可控制备，尤其是第二步的生长表现得更为敏感，容易发生在复杂的气氛、温度波动等环境下产生合金相、InSe相转变及材料热分解的可能；另一方面，二维层状材料在空气当中容易受到降解，进而进一步降低器件的光电特性，课题以In2S3为研究对象，研究了材料固有结构缺陷诱导了In2S3的氧化性能，进而影响材料的光学特性及其光探测器件性能，因此，对于二维材料而言，克服环境不稳定性的保护策略的显得尤为重要，本课题进而对二维材料封装策略的最新进展进行综述。系统地讨论了机械转移、聚合物覆盖、原子层沉积、原位氧化和表面功能化的封装策略。此外，概述了在封装策略辅助下，基于空气稳定和高性能二维材料的场效应晶体管和光电探测器的最新进展。最后，构筑了基于GaSe、InSe、In2Se3和In2S3纳米片的光探测器件，实现了快速，宽谱范围内的高效探测。综合上述，本课题为二维III-VI族半导体的材料合成以及其光电探测器件领域应用奠定了坚实的工作基础。