Nano Res.[器件]│程纲课题组利用瞬态电流增强n-Si/n-ZnO异质结自驱动光电探测器的线性动态范围和抗背景光干扰能力- X-MOL资讯

当前位置： X-MOL首页 › 行业资讯 › Nano Res.[器件]│程纲课题组利用瞬态电流增强n-Si/n-ZnO异质结自驱动光电探测器的线性动态范围和抗背景光干扰能力

Nano Res.[器件]│程纲课题组利用瞬态电流增强n-Si/n-ZnO异质结自驱动光电探测器的线性动态范围和抗背景光干扰能力

作者：Nano Research 2024-11-29

本篇文章版权为程纲团队所有，未经授权禁止转载。

背景介绍

随着物联网，大数据和人工智能等新一代信息技术的飞速发展，对信息的采集-传输-处理的速度和质量的需求不断增加[1-3]。光电探测器是实现光电传感、成像和物联网的基本单元，其性能决定着数据采集的速度和质量[4-7]。因此开发低功耗、高探测灵敏度、高探测速度和良好环境适应性的高性能新型光电探测器受到了科研人员的广泛关注[8-10]。其中，光电探测器的光功率(光强)线性动态响应范围是光电探测器一项重要的性能决定着探测器在成像质量[11-12]。传统的金属氧化物半导体技术的动态响应范围仅70 dB[11],远小于自然界中光强的动态范围280 dB[13]，窄的光谱线性动态响应范围严重影响器件的探测与成像。为了增加光电探测器的动态响应范围，研究人员采用了控制光学孔径，液体透镜，调节曝光时间和利用算法后处理等方法，然而这些方法通常需要复杂的硬件和软件资源[14-16]。最近，通过视觉自适应功能的器件能够提高器件的光功率动态响应范围，并且降低硬件的复杂性。例如，栅压调控的MoS2晶体管[13]，CsPbBR₃/2D-MoS₂异质结[17-18]，互补体异质结（BHJ）晶体管等[19]。然而上述策略的器件通常需要通过外部电压驱动或者栅压调控器件的性能，增加了器件的能耗。通过选用新型材料，如钙钛矿材料[20-22]，二维材料[13, 23-25]等也能能够显著提高器件光功率线性动态的响应范围。然而，新材料器件的稳定性、适应性以及制备工艺方面还面临着一些挑战制约了它们在高速探测和成像的方面的应用。构筑满足规模生产工艺要求，同时又具有开发低功耗、高探测灵敏度、高探测速度、良好环境适应性和大线性动态响应范围的性能的光电探测器以满足分布式探测及物联网的需求十分必要。

具有自供能特性异质结光电探测器无需外部提供额外的能源能够很好的应用分布式光电探测网络和物联网中[9, 26-28]。同时，该结构器件具有响应速度快的特点，能够满足高速探测和成像的需求。尤其，最近利用器件在光激发或关闭瞬间产生的瞬态电流作为探测信号在不改变器件结构的情况下能够有效增加光电探测的光电响应度和响应速度[29-31]。例如，在的p-Si/n-ZnO异质结[30, 32-33]，Si/NiO/ZnO异质结[34] , ZnO/SnS异质结[35], ZnO/ZnTe2异质结[36]和Si/SnS异质结[37]中均实现随器件响应性能的显著提升。其中在p-Si/n-ZnO异质结中，光电探测器对940 nm波长光的光探测度达到0.51A·W^-1，器件的上升时间和下降时间分别为50和70μs[8]。此外，以瞬态光电流作为探测信号能够增加的光电探测器的环境、温度适应性[28, 30, 38]。光电探测器的光功率(光强)线性动态响应范围是光电探测器一项重要的性能。然而，据我们所知，目前尚未有关于瞬态光电流在增强器件光功率线性动态响应范围的研究报道。此外，目前光电探测器均在暗环境下测量器件的光电响应特性，而真实的器件通常工作在具有背景光的环境中，背景光对器件光电响应性能的干扰也鲜见报告。因此，研究瞬态光电流对器件光功率线性响应特性以及探究瞬态电流在抗背景光干扰能力的研究，对设计和制备具有强抗背景光干扰能力的自供能光电探测器，以实现对复杂环境中分布式信号的高速光电探测和成像具有重要意义。

成果简介

本文，我们构建了一个n-Si/n-ZnO异质结结构的自驱动光电探测器（PD），充分利用了瞬态电流受激励功率和界面态影响较小的特性，并使用瞬态电流作为检测信号，显著提高了的光电流响应率（R）和线性动态范围（LDR）。在365、530、660和970 nm光的激发下，该器件的最大峰间瞬态电流响应率（R^tt'）值分别为89.3、341、439和542 mA·W^-1。该器件的相应LDR为113.8、112.5、105.9和74.6 dB，分别比稳态电流（I_s）高25.9、29.9、20.3和14.4dB。此外，在背景光存在的情况下，器件的瞬态电流表现出增强的光强变化分辨率和抗背景光干扰性能。最后，我们构筑的6×6探测器阵列的瞬态电流（I_t）响应具有良好的一致性和LDR，显著提高了器件的成像质量和分辨率。这项工作为提高自供电PD的R和LDR提供了广阔的前景，并将促进瞬态电流响应自供电PD在高灵敏度检测和快速成像领域的发展和应用。

图文导读

图1（a） n-Si/n-ZnO器件的示意图。（b）ZnO纳米线阵列的SEM图像（如n-Si/n-ZnO器件的横截面图所示）。（c）构成该装置的各种材料的能带图。（d）器件在黑暗条件下的I-V特性曲线。（e，f）在530nm光激发期间，器件在不同功率密度下的I-V（e）和I-t（f）曲线。

图2在没有环境光的情况下，该器件对光脉冲激发的光电响应特性。（a-d）器件的电流（a）、响应率（b）、增强因子（c）和外部量子效率（d）与530nm波长光激发下的激发光功率密度之间的关系曲线。（e，f）器件在不同波长光激发下的电流线性因子（e）和线性响应范围（f）。（g）器件各种工艺电流的成像效果（其中g1是原始图像，g2-g4分别模拟器件的I_t、I_tt'和I_s的成像）。（h，i）器件在不同波长光激发下的最大电流响应率、比探测率（h）和外部量子效率（i）。误差条是从5个数据中获得的。

图3在有背景光的情况下，器件在光脉冲激发下的光电响应特性。（a）在20 Hz、5.1μW·cm^-2、530 nm光的激发下，该器件在没有背景光和10倍激发功率密度（P/ΔP=10）的情况下的I-t曲线。（b）保持激发光功率为5.1μW·cm⁻²，器件的I-t曲线随背景光功率密度增加和减少。（c，d）器件每个过程的电流（c）和相对响应率（d）与背景光功率密度之间的关系曲线。（e，f）器件的最大相对响应率（e）和外部量子效率（f）随激发波长而变化。（g）当P/ΔP=30时，器件的电流保持因子与激发波长之间的关系。（h）在P/ΔP=0～30的范围内，当受到不同波长的光激发时，器件的各种过程电流的最大增强因子。（i） Si/ZnO异质结自供电PD的光电流响应率。（参考文献1-9对应于具有相同结构的设备的初步实验数据[26,29,33,47-51]，其中蓝色（红色）表示本研究中没有（有）背景光的情况）。误差棒是从5个数据中获得的。

图4（a）在530 nm光激发时刻，器件的耗尽层、载流子分布和能带图。（b）从非平衡态过渡到新平衡态的过程是由器件的内部电场、耗尽层、载流子分布和能带图。

图5（a） 6×6 PD阵列测量原理图。（b）阵列器件的I_t与光功率密度之间的关系曲线。（c） PD阵列电流线性响应因子I_t的统计图。（d）无背景光条件下数字“6”的光强分布图。（e，f）设备的I_s和I_t成像图。（h）照明背景下数字“6”的光强分布图。（i，j）设备的I_s和I_t成像图。

[1] Zhang, W.; Gao, B.; Tang, J.; Yao, P.; Yu, S.; Chang, M.-F.; Yoo, H.-J.; Qian, H.; Wu, H. Neuro-inspired computing chips, Nat. Electron. 2020, 3, 371-382.

[2] Mennel, L.; Symonowicz, J.; Wachter, S.; Polyushkin, D. K.; Molina-Mendoza, A. J.; Mueller, T. Ultrafast machine vision with 2D material neural network image sensors, Nature. 2020, 579, 62-66.

[3] Zhang, Z.; Wang, S.; Liu, C.; Xie, R.; Hu, W.; Zhou, P. All-in-one two-dimensional retinomorphic hardware device for motion detection and recognition, Nat. Nanotech. 2022, 17, 27-32.

[4] Ma, N.; Zhang, K.; Yang, Y. Photovoltaic-Pyroelectric Coupled Effect Induced Electricity for Self-Powered Photodetector System, Adv. Mater. 2017, 29, 1703694.

[5] Peng, W.; Wang, X.; Yu, R.; Dai, Y.; Zou, H.; Wang, A. C.; He, Y.; Wang, Z. L. Enhanced Performance of a Self-Powered Organic/Inorganic Photodetector by Pyro-Phototronic and Piezo-Phototronic Effects, Adv. Mater. 2017, 29, 1606698.

[6] Xie, C.; Mak, C.; Tao, X.; Yan, F. Photodetectors Based on Two-Dimensional Layered Materials Beyond Graphene, Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1603886.

[7] Jayachandran, D.; Oberoi, A.; Sebastian, A.; Choudhury, T. H.; Shankar, B.; Redwing, J. M.; Das, S. A low-power biomimetic collision detector based on an in-memory molybdenum disulfide photodetector, Nat. Electron. 2020, 3, 646-655.

[8] Wang, Y.; Zhu, Y.; Gu, H.; Wang, X. Enhanced Performances of n-ZnO Nanowires/p-Si Heterojunctioned Pyroelectric Near-Infrared Photodetectors via the Plasmonic Effect, ACS Appl. Mater. Inter. 2021, 13, 57750-57758.

[9] Meng, J.; Li, Q.; Huang, J.; Pan, C.; Li, Z. Self-powered photodetector for ultralow power density UV sensing, Nano Today. 2022, 43, 101399.

[10] Wang, L.; Xue, H.; Zhu, M.; Gao, Y.; Wang, Z. Graded strain-enhanced pyro-phototronic photodetector with a broad and plateau band, Nano Energy. 2022, 97, 107163.

[11] Ohta, J. Smart CMOS image sensors and applications. CRC press: 2020.

[12] Gong, X.; Tong, M.; Xia, Y.; Cai, W.; Moon, J. S.; Cao, Y.; Yu, G.; Shieh, C.-L.; Nilsson, B.; Heeger, A. J. High-Detectivity Polymer Photodetectors with Spectral Response from 300 nm to 1450 nm, Science. 2009, 325, 1665-1667.

[13] Liao, F.; Zhou, Z.; Kim, B. J.; Chen, J.; Wang, J.; Wan, T.; Zhou, Y.; Hoang, A. T.; Wang, C.; Kang, J.; Ahn, J.-H.; Chai, Y. Bioinspired in-sensor visual adaptation for accurate perception, Nat. Electron. 2022, 5, 84-91.

[14] Liba, O.; Murthy, K.; Tsai, Y.-T.; Brooks, T.; Xue, T.; Karnad, N.; He, Q.; Barron, J. T.; Sharlet, D.; Geiss, R. Handheld mobile photography in very low light, ACM Trans. Graph. 2019, 38, 164:1-164:16.

[15] Rao, Z.; Lu, Y.; Li, Z.; Sim, K.; Ma, Z.; Xiao, J.; Yu, C. Curvy, shape-adaptive imagers based on printed optoelectronic pixels with a kirigami design, Nat. Electron. 2021, 4, 513-521.

[16] Kim, M.; Lee, G. J.; Choi, C.; Kim, M. S.; Lee, M.; Liu, S.; Cho, K. W.; Kim, H. M.; Cho, H.; Choi, M. K. An aquatic-vision-inspired camera based on a monocentric lens and a silicon nanorod photodiode array, Nat. Electron. 2020, 3, 546-553.

[17] Xie, D.; Wei, L.; Xie, M.; Jiang, L.; Yang, J.; He, J.; Jiang, J. Photoelectric Visual Adaptation Based on 0D‐CsPbBr 3‐Quantum‐Dots/2D‐MoS 2

Mixed‐Dimensional Heterojunction Transistor, Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2010655.

[18] Hong, S.; Choi, S. H.; Park, J.; Yoo, H.; Oh, J. Y.; Hwang, E.; Yoon, D. H.; Kim, S. Sensory Adaptation and Neuromorphic Phototransistors Based on CsPb(Br1-xIx)3 Perovskite and MoS2 Hybrid Structure, ACS Nano. 2020, 14, 9796-9806.

[19] He, Z.; Shen, H.; Ye, D.; Xiang, L.; Zhao, W.; Ding, J.; Zhang, F.; Di, C.-a.; Zhu, D. An organic transistor with light intensity-dependent active photoadaptation, Nat. Electron. 2021, 4, 522-529.

[20] van Breemen, A. J. J. M.; Ollearo, R.; Shanmugam, S.; Peeters, B.; Peters, L. C. J. M.; van de Ketterij, R. L.; Katsouras, I.; Akkerman, H. B.; Frijters, C. H.; Di Giacomo, F.; Veenstra, S.; Andriessen, R.; Janssen, R. A. J.; Meulenkamp, E. A.; Gelinck, G. H. A thin and flexible scanner for fingerprints and documents based on metal halide perovskites, Nat. Electron. 2021, 4, 818-826.

[21] Dou, L.; Yang, Y.; You, J.; Hong, Z.; Chang, W.-H.; Li, G.; Yang, Y. Solution-processed hybrid perovskite photodetectors with high detectivity, Nat. Commun. 2014, 5.

[22] Bao, C.; Chen, Z.; Fang, Y.; Wei, H.; Deng, Y.; Xiao, X.; Li, L.; Huang, J. Low‐Noise and Large‐Linear‐Dynamic‐Range Photodetectors Based on Hybrid‐Perovskite Thin‐Single‐Crystals, Adv. Mater. 2017, 29, 1703209.

[23] Zhang, Y.; Shen, W.; Wu, S.; Tang, W.; Shu, Y.; Ma, K.; Zhang, B.; Zhou, P.; Wang, S. High-Speed Transition-Metal Dichalcogenides Based Schottky Photodiodes for Visible and Infrared Light Communication, ACS Nano. 2022, 16, 19187-19198.

[24] Shang, H.; Gao, F.; Dai, M.; Hu, Y.; Wang, S.; Xu, B.; Wang, P.; Gao, B.; Zhang, J.; Hu, P. Light‐Induced Electric Field Enhanced Self‐Powered Photodetector Based on Van der Waals Heterojunctions, Small Methods. 2022, 7, 2200966.

[25] Kim, C. O.; Kim, S.; Shin, D. H.; Kang, S. S.; Kim, J. M.; Jang, C. W.; Joo, S. S.; Lee, J. S.; Kim, J. H.; Choi, S.-H.; Hwang, E. High photoresponsivity in an all-graphene p–n vertical junction photodetector, Nat. Commun. 2014, 5.

[26] Dai, R.; Liu, Y.; Wu, J.; Wan, P.; Zhu, X.; Kan, C.; Jiang, M. Self-powered ultraviolet photodetector based on an n-ZnO:Ga microwire/p-Si heterojunction with the performance enhanced by a pyro-phototronic effect, Opt Express. 2021, 29, 30244-30258.

[27] Panwar, V.; Nandi, S.; Majumder, M.; Misra, A. Self-powered ZnO-based pyro-phototronic photodetectors: impact of heterointerfaces and parametric studies, J. Mater. Chem. C. 2022, 10, 12487-12510.

[28] Zhang, Y.; Yang, F.; Guo, Q.; Feng, X.; Duan, Y.; Guo, J.; Cheng, G.; Du, Z. The self-powered photodetector of n-Si/n-ZnO heterojunction with enhanced temperature adaptability via transient current response, J. Phys. D Appl. Phys. 2022, 55, 504004.

[29] Zou, H.; Dai, G.; Wang, A. C.; Li, X.; Zhang, S. L.; Ding, W.; Zhang, L.; Zhang, Y.; Wang, Z. L. Alternating Current Photovoltaic Effect, Adv. Mater. 2020, 32, 1907249.

[30] Wang, Z.; Yu, R.; Wang, X.; Wu, W.; Wang, Z. L. Ultrafast Response p-Si/n-ZnO Heterojunction Ultraviolet Detector Based on Pyro-Phototronic Effect, Adv. Mater. 2016, 28, 6880-6886.

[31] Wang, Y.; Zhu, L.; Feng, Y.; Wang, Z.; Wang, Z. L. Comprehensive Pyro‐Phototronic Effect Enhanced Ultraviolet Detector with ZnO/Ag Schottky Junction, Adv. Funct. Mater. 2018, 1807111.

[32] Feng, Y.; Zhang, Y.; Wang, Y.; Wang, Z. Frequency response characteristics of pyroelectric effect in p-n junction UV detectors, Nano Energy. 2018, 54, 429-436.

[33] Zhang, Y.; Hu, M.; Wang, Z. Enhanced performances of p-si/n-ZnO self-powered photodetector by interface state modification and pyro-phototronic effect, Nano Energy. 2020, 71, 104630.

[34] Yin, B.; Zhang, H.; Qiu, Y.; Luo, Y.; Zhao, Y.; Hu, L. The light-induced pyro-phototronic effect improving a ZnO/NiO/Si heterojunction photodetector for selectively detecting ultraviolet or visible illumination, Nanoscale. 2017, 9, 17199-17206.

[35] Ouyang, B.; Zhang, K.; Yang, Y. Photocurrent Polarity Controlled by Light Wavelength in Self-Powered ZnO Nanowires/SnS Photodetector System, iScience. 2018, 1, 16-23.

[36] You, D.; Xu, C.; Zhang, W.; Zhao, J.; Qin, F.; Shi, Z. Photovoltaic-pyroelectric effect coupled broadband photodetector in self-powered ZnO/ZnTe core/shell nanorod arrays, Nano Energy. 2019, 62, 310-318.

[37] Kumar, M.; Patel, M.; Kim, J.; Lim, D. Enhanced broadband photoresponse of a self-powered photodetector based on vertically grown SnS layers via the pyro-phototronic effect, Nanoscale. 2017, 9, 19201-19208.

[38] Dong, J.; Wang, Z.; Wang, X.; Wang, Z. L. Temperature dependence of the pyro-phototronic effect in self-powered p-Si/n-ZnO nanowires heterojuncted ultraviolet sensors, Nano Today. 2019, 29, 100798.

作者简介

程纲：河南大学教授，2000年获得河南大学学士学位，2008年获得吉林大学博士学位。2013年至2016年，他在佐治亚理工学院材料科学与工程学院，在王中林（Z. L. Wang）教授的指导下担任访问学者。国家优秀青年基金（2015），河南省科技创新人才，河南省高校创新团队带头人，河南省教育厅学术技术带头人，荣获河南省科技进步二等奖等。目前的研究方向：基于纳米结构的电子和光电子器件、纳米发电机和自供电传感器等。

课题组网站:http://lab.henu.edu.cn/zw/ktz/c_g_Cheng_G.htm。

文章信息

Zhang Y, Feng X, Yang F, et al. Study on the linear dynamic range and anti-background light interference of n-Si/n-ZnO heterojunction photodetectors enhanced by transient current. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907007.

QQ截图20240703101719.jpg