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Nat. Commun.:具有单边耗尽区的高效、快速异质光电二极管

Nat. Commun.:具有单边耗尽区的高效、快速异质光电二极管

Nat. Commun.:具有单边耗尽区的高效、快速异质光电二极管

Nat. Commun.:具有单边耗尽区的高效、快速异质光电二极管

研究背景

自石墨烯被发现以来,基于二维材料的光电器件因其独特的电学和光学特性而得到了广泛的研究,在光电探测器和太阳能电池等领域中显示出了巨大的潜力。良好的光电探测器应具有响应度高、响应时间短、信噪比高以及功耗低等优点,基于二维材料的范德华异质结通过光伏效应为这种光电探测提供了新途径。然而,严重的界面重组和低效接触的存在,使得这种二维光伏器件由于较低的量子效率而受到限制。因此,选择合适的材料和器件设计,抑制光生电子-空穴对的界面复合,提高响应速度和量子效率成为了当前这一领域的研究重点。

Nat. Commun.:具有单边耗尽区的高效、快速异质光电二极管

成果介绍

有鉴于此,中科院上海技物所胡伟达研究员王鹏博士以及华东师范大学吴幸教授(共同通讯作者)利用单边耗尽区的能带设计思路,选择窄带隙的黑砷磷(AsP)材料作为载流子的选择性接触,联合报道了一种高效的MoS2/AsP pp+异质光电二极管。该器件在可见光(520 nm)照射下具有1.3 μA的短路电流和0.61 V的大开路电压,表现出了优异的光伏性能,特别是还实现了71%的高外量子效率,创纪录的高达9%的功率转换效率和9 μs的快速响应时间,为设计由二维材料组合而成的高性能光伏器件提供了一种有效的方案。该项研究成果近日以“High efficiency and fast van der Waals hetero-photodiodes with a unilateral depletion region”为题目发表在著名期刊Nature Communications杂志上。

Nat. Commun.:具有单边耗尽区的高效、快速异质光电二极管

图文导读

Nat. Commun.:具有单边耗尽区的高效、快速异质光电二极管图1. MoS2/AsP 异质器件的电学性能表征。

图1给出了MoS2/AsP 异质器件的示意图和电学性能表征。由于MoS2带隙更大,对光的吸收更大,因此置于AsP之上,作为源极和漏极,厚度分别为66 nm和59 nm(图1a和b)。在图1c中观察到在负偏压下,器件的漏电流大于10 μA,正偏压下的漏电流量级为nA,这表明形成了反向二极管,而普通的少层MoS2是典型的n型半导体,AsP是p型半导体,当这两种材料构建异质结时,通常会得到常规的pn结正向二极管。厚的MoS2 FET的传输曲线表现出了异常的p型传导行为,并且沟道载流子密度的栅极调制非常弱,这些可以归因于杂质引或缺陷引起的掺杂效应。因此,在MoS2/AsP二极管中形成了pp+异质结,当Vg=-60 V时,整流比高达6×103,并且随着Vg增加,整流比降低。

Nat. Commun.:具有单边耗尽区的高效、快速异质光电二极管图2. MoS2/AsP pp+异质二极管的KPFM表征和能带机理示意图。

费米能级的相对位置决定了该pp+异质结的工作机理,利用KPFM测量材料的表面电势,可以得到费米能级差,AsP的费米能级比MoS2的高约41 meV(图2a和b)。基于此,MoS2/AsP pp+异质二极管在不同偏置条件下的能带图如图2c-f所示,在零偏的平衡状态条件下,AsP中的少数电子将转移到MoS2中,从而在AsP中产生更多的空穴,形成空穴累积区,而在MoS2侧则形成较宽的单边耗尽区(图2c)。在较小的负偏压-0.5 V<Vds <0 V下,从MoS2侧注入的空穴会同时受到大的异质结势垒和肖特基势垒的阻碍,而少数电子会从AsP侧注入,从而导致较小的电流幅值(图2d)。在较大的负偏压Vds <-0.5 V下,异质结势垒和肖特基势垒都会减小,空穴更容易注入到MoS2中,然后越过异质结势垒,形成较大的空穴主导电流(图2e)。当正偏压Vds> 0 V时,尽管空穴很容易注入到AsP中,由于界面处较大的价带偏移(〜0.8 eV)的阻碍,同时电子的肖特基势垒较大,很难注入到MoS2中导致正偏压下的电流较低(图2f)。

Nat. Commun.:具有单边耗尽区的高效、快速异质光电二极管图3. MoS2/AsP pn和pp+异质二极管不同能带结构的区别。

为了进一步确认在此MoS2/AsP pp+异质二极管中形成了单边耗尽区,利用电学I-V曲线和红外光响应(IR)的方法来区分pp+和pn异质结不同的能带结构。对于普通的MoS2/AsP pn异质二极管,n型MoS2和p型AsP均被部分耗尽,从而产生内置电场,指向AsP侧(图3a),表现出常规的正向二极管性质(图3b),当红外光入射时,由于导带偏移小,AsP中的光生电子很容易越过异质界面,形成负短路电流(图3c)。在具有单边耗尽区的MoS2 /AsP pp+异质二极管中,MoS2耗尽了空穴并且AsP积累了空穴,内置电场的方向指向MoS2侧,与pn结相反(图3d),因此出现反向二极管性质(图3e)。在红外光下,光生空穴被较大的价带偏移所阻挡,没有红外光响应产生(图3f),这些都证实了单边耗尽区的存在。

Nat. Commun.:具有单边耗尽区的高效、快速异质光电二极管图4. MoS2/AsP pp+异质二极管的光伏响应特性图。

随后研究了具有单边耗尽区的MoS2/AsP pp+异质二极管的光响应特性。器件的Ids-Vds曲线在520 nm光照下向上移动,表现出明显的光伏响应,获得1.3 μA的短路电流和0.61 V的大开路电压,零偏压下,光电流与暗电流之比超过1×106,显示出超高的信噪比,在108.8 mW mm-2的功率密度或4.35 μW的入射功率下,最大功率(Pmax达到0.39 μW,填充因子(FF)为0.5,功率转换效率(PCE)为9%(图4a)。随着光功率的增加,IV曲线不断向上移动(图4b),输出功率Pel随之增加(图4c)。短路电流Isc随光功率几乎呈线性增加,而开路电压Voc则呈对数变化(图4d),FF和PCE都随着入射功率的降低而降低(图4e), 在108.8 mW mm-2的功率密度下可获得0.3 AW-1的响应度和71%的外量子效率。

Nat. Commun.:具有单边耗尽区的高效、快速异质光电二极管图5. MoS2/AsP pp+异质二极管的光电流成像和响应时间。

对于较厚的MoS2,在520 nm激光下,大多数电子-空穴对在MoS2中产生,在单边耗尽区中内置电场大的情况下,电子自由移动到AsP侧并被漏极收集,同时空穴移动到MoS2侧并被源极收集,得到负Voc和正Isc只有电子由于没有势垒穿过异质界面,与AsP中的多数空穴快速复合而不是和MoS2单边耗尽区中的光生空穴,尽管一部分能量损失,但光生电子-空穴对的复合被显著抑制,使载流子收集效率大大提高,因此EQE和PCE提高(图5a)。在整个结区可以观察到清晰的光电流,并且在电极接触附近没有明显的电流产生,这表明光电流源于异质结(图5b)。图5c和d显示了在周期性开/关激光照射下二极管在零偏压下的光开关响应,上升时间9 us,下降时间5 us,是当前二维异质光电探测器中最快的。

Nat. Commun.:具有单边耗尽区的高效、快速异质光电二极管

总结与展望

本文通过将较厚的弱p型MoS2和窄带隙的p型AsP制作成pp+异质二极管器件,具有单边耗尽区和窄带隙半导体载流子选择性接触,克服了光生电子-空穴对的严重隧穿辅助界面复合和低效接触,表现出优异的光伏性能、高功率转换效率以及快速响应时间,为下一代高性能二维异质光伏器件的选择性设计奠定了理论和实验基础

Nat. Commun.:具有单边耗尽区的高效、快速异质光电二极管

文献信息

High efficiency and fast van der Waals hetero-photodiodes with a unilateral depletion region. (Nat. Commun., 2019, DOI:10.1038/s41467-019-12707-3)

文献链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12707-3

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | Ripper

主编丨张哲旭


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