外延有机半导体/石墨烯光电探测器研究

Organic semiconductor/graphene hybrid structure benefits from the advantages of the spectral sensitivity of organic materials and high carrier mobility of graphene channel, based on which the photodetectors fabricated exhibit extraordinary photo-responsivity and photo-conductive gain. However, the organic layer fabricated via the ordinary liquid phase spray-coating method usually has poor crystal quality, which prohibits the further improvement of the device performances; besides, organic semiconductor/graphene hybrid detector suffered from the limited material choice, which setting barriers for the device performances breakthrough: narrow spectrum response, low response speed and large dark current noise. In this project, organic crystal hetero-structure precise growth will be realized adopting van der Waals vapor phase epitaxy. Organic crystal growth kinetics on graphene will be generalized after the systematic epitaxy of organic molecules with different configurations. With the optimization of the organic molecule selection, organic hetero-structure energy band alignment and device structure modification, high-performance organic semiconductor/graphene photodetectors with broadband response, high response speed and high detectivity will be finally realized. The suppression of the density of the defects and carrier trap states at the interface makes it possible to study the cooperative modulation effects of the organic hetero-structure and the organic semiconductor/graphene interface on the exciton dissociation and transportation.

有机半导体/石墨烯复合结构兼具了有机半导体光谱敏感以及石墨烯高迁移率的特点，以此为基础制备的光电探测器具有高的光响应度和光导增益。然而在石墨烯上基于常用的液相旋涂法制备的有机半导体层晶体质量较差，限制了器件性能的进一步提高；此外单一有机半导体/石墨烯光电探测器有着难以突破的器件性能瓶颈：光谱响应范围窄、响应速度慢、暗电流大等。本项目拟采用范德华气相外延法在石墨烯衬底上进行高质量超薄有机半导体异质结可控生长。通过系统实验，总结不同构型有机分子在石墨烯上外延生长的动力学规律，并通过最优分子构型选择、有机半导体异质结能带设计以及光探测器器件结构改进等方法，制备具有响应光谱范围宽、响应时间短、光探测率高的高效有机半导体/石墨烯光电探测器。在大幅降低界面缺陷以及载流子陷阱浓度的基础上，深入研究有机半导体异质结界面以及有机半导体/石墨烯界面对有机层中光生激子分离、输运过程的协同调控作用。

通过材料选择的方法可以制备工作于不同波段的有机光电探测器。有机光电探测器的种类包括光导型光电探测器、光电二极管、光电三极管等。光导型光电探测器的器件性能与有机半导体材料本身的吸光特性、载流子迁移率、晶体质量等直接相关；对于有机光电二极管而言，一般采用两种或多种有机材料，在有机分子界面形成有效的激子分离电场，从而可以实现比光导型探测器更高的量子效率。有机光电晶体管则通过外加栅压的调控作用，可以实现光电流的放大。相较于前两种器件结构，有机光电晶体管具有优异的光电倍增效应和光响应度。然而由于有机光电晶体管需要采用对光生载流子具有较好的传导特性的材料作为晶体管沟道层，而受限于有机半导体迁移率较低的缺点，有机光电晶体管的器件性能提升较难。将有机半导体与高迁移率的无机材料相结合可以有效解决这一问题。.目前具有极高迁移率的石墨烯在有机光电晶体管中得到了广泛应用，具体而言，将有机半导体吸光层沉积于石墨烯场效应管沟道中，利用有机材料较高的光吸收率和石墨烯的高载流子迁移率，将光生载流子形成和输运过程在两种材料中分别进行。最终制备的复合型有机光电晶体管呈现出极高的光响应度和光导增益。然而由于液相法制备的有机层的晶体质量较低，有机/石墨烯界面缺陷密度较高，对器件性能的进一步提升带来了不利的影响，项目通过采用气相外延法，在洁净的石墨烯沟道中外延生长了超薄有机半导体，并在此基础上进行了有机异质结的制备；与只有一种有机半导体层的器件相比，第二种有机半导体的引入使得在器件中形成了一个新的界面，即有机半导体异质结中的界面，这就使得在有机层中产生的激子可以得到更为有效的分离；此外两种有机半导体材料的存在明显地对器件的光响应波长范围进行了拓宽，基于有机异质结/石墨烯结构实现了宽光谱光电响应和双色探测。