通过SnSe?/GaN异质结构提升GaN的光响应性能并拓宽其光谱范围

《Materials Research Bulletin》：Boosted Photoresponse and Broadened Spectral Range of GaN through SnSe 2/GaN Heterostructure

基于SnSe2/GaN异质结构的自供电宽带光电探测器，通过射频磁控溅射与热蒸发法制备，实现紫外至近红外光谱的高响应度（3794-7066 mA W?1）和低噪声等效功率（4.04-2.60×10?13 W Hz?1?2）。研究揭示了异质结界面电荷动力学与自驱动电场的协同效应，为弱光探测提供了新范式。

　　

普里蒂·戈斯瓦米（Preeti Goswami）| 维谢什·曼（Vishesh Mann）| 普赫拉杰·普拉贾帕特（Pukhraj Prajapat）| 戈文德·古普塔（Govind Gupta）

科学与创新研究学院（AcSIR），加济阿巴德-201002，印度

摘要

在二维材料中，SnSe₂由于其独特的带隙，是与GaN集成以实现宽带吸收和自供电操作的最理想材料。当与GaN集成时，所得到的异质结构能够在保持高光电流水平的同时抑制暗电流。尽管自供电宽带光电探测器的最新进展取得了显著成果，但SnSe₂/GaN异质结的光敏性能尚未得到充分探索。本研究采用射频溅射技术合成了SnSe₂/GaN异质结构，并通过热蒸发制备了金属-半导体-金属型器件。溅射形成的SnSe₂薄膜产生了固有电场，从而实现了自供电功能。所开发的SnSe₂/GaN异质结构光电探测器表现出增强的光响应和扩展的光谱范围，即使对于弱光信号也能实现自供电响应。该器件在0.5 V偏压下，对于功率密度为150 μW/mm²的紫外（UV）、可见光（Visible）和近红外（NIR）光信号，表现出3794 mA W^-1/7066 mAW^-1/5876 mAW^-1的响应度以及4.04?×?10^-13 WHz^-1/2的噪声等效功率。

引言

随着无线监控、远程监测、光通信和生物医学设备等领域对自供电宽带光电探测器（PDs）需求的增长，这一领域受到了广泛的科学关注[1,2]。自供电PDs能够在无需外部电源的情况下生成电信号，代表了这一方向的重要进展[3,4]。在各种用于光检测的材料中，氮化镓（GaN）和金属硫属化物因其优异的光电性能而脱颖而出。GaN是一种具有宽带隙、高电子迁移率和强紫外吸收能力的III-V族半导体，使其成为高性能和可靠光电器件的理想选择[5,6]。特别是锡硒化物（SnSe₂），由于其卓越的热电性能、高光电导率和可调带隙（1–1.9 eV），能够在可见光到红外光谱范围内实现宽带光响应[7,8]。当SnSe₂与GaN（以其宽带隙、出色的热稳定性和高电子迁移率而闻名）集成时，两者之间有利的能带对齐可以有效抑制暗电流，从而使得这种异质结构成为高效宽带光检测的有力候选者。

自供电宽带PDs的最新进展显示出了显著成果。例如，Kumar等人报道了基于Si/SnS₂和Si/SnSe₂ p–n异质结构的自供电PDs[10]，Patel等人利用超声剥离的SnSe₂纳米片开发了自供电光电化学PD[11]。Lee等人还通过分子束外延技术制备了大面积SnSe₂/GaN异质结二极管[12]。然而，SnSe₂/GaN异质结的光敏性能仍有待探索。基于异质结构的PDs的一个关键挑战是界面电荷动态，其中电荷积累或耗尽区域的形成取决于费米能级对齐、带边偏移和掺杂密度[13]。这些现象会显著影响器件性能。在这种背景下，金属-半导体-金属（MSM）几何结构具有低噪声、减少暗电流和增强响应度等优势，使其成为高性能光检测的有希望的替代方案。

在本研究中，我们采用射频磁控溅射（RFMS）技术合成了SnSe₂/GaN异质结构，并通过热蒸发制备了MSM型PD。虽然自驱动操作通常限于基于异质结构的器件而非单材料系统，但溅射的SnSe₂薄膜即使在没有对称电极的情况下也能产生固有电场，从而实现自供电功能。这是首次展示利用SnSe₂的高光吸收系数和GaN的高效光生载流子传输实现自供电功能的宽带SnSe₂/GaN PD。在低偏压下，该器件对弱光信号表现出显著的光电增益和出色的灵敏度。此外，与GaN集成后，该异质结构实现了前所未有的低噪声等效功率，这代表了光检测性能的重大进步。本研究提供了一种简单的方法，用于开发能够检测弱光信号的自供电宽带PD。

SnSe₂薄膜的生长与表征

采用高纯度SnSe₂靶材（99.99%，Testbourne Ltd）通过射频磁控溅射（RFMS）技术在GaN基底上沉积SnSe₂薄膜。沉积前，靶材先进行5分钟预溅射以去除表面污染物。腔室基压稳定在约10^-6 mbar，沉积过程中基底温度保持在200°C。引入40 sccm的氩气流以维持2.58?×?10^-2 bar的工作压力，并在50 W的射频功率下激发等离子体。SnSe₂薄膜在此条件下生长

结果与讨论

对裸露的GaN基底和SnSe₂/GaN异质结构进行了XRD分析。对于SnSe₂/GaN（图1（a）），在2θ?=?31.26°、41.80°、47.94°和72.98°处观察到明显的衍射峰，分别对应于（101）、（102）、（110）和（203）晶体平面，证实了溅射SnSe₂薄膜的六方晶体结构[7,11,12]。裸露的GaN基底（图1（a）在34.34°（002）和72.66°（004）处也有峰

结论

本研究通过射频磁控溅射和热蒸发制备了一种自供电的宽带SnSe₂/GaN异质结构PD。结构和形态表征证实了SnSe₂的六方相以及异质结构的稳健界面质量，而拉曼和光致发光（PL）光谱揭示了独特的振动和发射特征，证明了材料的完整性和缺陷动态。所制备的PD在紫外到近红外范围内表现出优异的宽带响应

CRediT作者贡献声明

普里蒂·戈斯瓦米（Preeti Goswami）：撰写初稿、验证、方法论、研究、形式分析、概念构思。维谢什·曼（Vishesh Mann）：撰写初稿、方法论、研究。普赫拉杰·普拉贾帕特（Pukhraj Prajapat）：撰写初稿、方法论、研究。戈文德·古普塔（Govind Gupta）：审稿与编辑、可视化、验证、资源协调、项目管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢CSIR-NPL主任的持续支持，以及印度UGC和CSIR提供的CSIR/UGC-SRF奖学金财政支持。