西交大李強團隊：剝離-自組裝法制備的大面積hBN薄膜用于真空紫外光電探測器

深紫外光電探測器在火焰探測、紫外通信等領域有著廣泛的應用。六方氮化硼（hBN）是一種超寬禁帶半導體，其禁帶寬度為5.9 eV，對深紫外光具有天然的吸收能力和高的吸收系數。此外，hBN穩定的物理化學性質、優異的熱學使其成為制備深紫外光電探測器的理想材料。然而，目前制備大面積hBN薄膜通常需要超高的溫度、特定的氣體氛圍和特殊處理的襯底等各種嚴苛條件，使大面積hBN薄膜的獲取是低效和高成本的，限制了hBN在真空紫外光電探測器件上的應用。

西安交通大學電子科學與工程學李強團隊提出了剝離-自組裝的方法制備了大面積hBN薄膜，并進行了光電探測器的制備與器件工作機制的研究。

該思路是基于hBN特有的二維材料特性，通過超聲的方式打破hBN晶體粉末中層與層之間的范德華力，從而獲得少層的hBN納米片（BNNSs），利用離心的方法將BNNSs與未超聲未完全的hBN粉末分離。然而，小尺寸的BNNSs在器件制備過程中面臨著電極制備困難的問題，因此，團隊人員通過自組裝法將制備的BNNSs組裝成膜，可轉移至其他襯底上作為光敏層，進行光電探測器的制備。目前，已經實現了2英寸薄膜轉移至藍寶石襯底。該方法提高了制備hBN薄膜的效率、降低了薄膜制備的成本。

圖1 BNNSs及自組裝薄膜的電鏡圖

與連續的hBN薄膜不同的是，該自組裝BNNS薄膜是由許多小尺寸的BNNSs拼接而成，每個BNNS-BNNS接觸界面由于晶界散射和表面態的原因會形成表面空間電荷區，在接觸的位置形成結勢壘，而電子在傳輸的過程中需要“跨過”該結勢壘。在BNNS薄膜中存在大量的結勢壘，結勢壘主導了薄膜的電導率。而在光照下，光生載流子會削弱BNNS的表面空間電荷區，使得接觸界面的結勢壘的高度降低，從而提高薄膜的電導率，這便是“光誘導結勢壘高度降低”的工作原理。

對此，李強團隊提出調控結勢壘數量的方法來調控薄膜的電導率，具體通過調控BNNS尺寸的大小。換而言之，在相同電極間距間，BNNS的尺寸越大，結勢壘的數量將會越少，如圖2所示。

圖2 BNNS尺寸調控結勢壘數量示意圖

團隊人員基于不同尺寸BNNSs組裝了薄膜，并測試了薄膜的暗電流。結果如圖3所示，尺寸越大的BNNSs暗電流越低，這是因為尺寸越大的BNNS組成的薄膜結勢壘數量更少，消耗的電子數量越小。圖3展示了由不同尺寸BNNSs組成的薄膜光電探測器的暗電流和光電流I-V曲線，其中BNNS的尺寸PD1 < PD2 < PD3。結果顯示PD1具有超低的暗電流，在80 V的電壓下只有0.27 pA，器件對185 nm波長的真空紫外光響應度為1.09 mA/W、探測率為3.42×10¹¹ Jones。另一方面，對于結勢壘主導電導率的光電探測器，光照對器件勢壘高度的降低和導電性的提升目前仍缺少一種科學的方法來進行衡量。對此，團隊提出利用MSM型雙肖特基結的電流-電壓關系對器件的I-V進行分析（式1），提取出器件在光照前后的電學參數，并繪制3個器件對應的能帶圖。以PD 1為例，光照后勢壘高度降低了~ 0.21 eV，串聯電阻為光照前的0.14%，勢壘高度和串聯電阻均得到了大幅的降低。

圖3 不同PD的I-V曲線和光照前后能帶圖

圖4 器件的光響應特性表征

為了探索BNNS薄膜作為柔性電子器件的潛力以及評估BNNS薄膜光電探測器的可靠性，團隊成員利用BNNS薄膜制備了柔性光電探測器。圖5展示了柔性器件在黑暗和185 nm光照下的I-V特性，在80 V電壓下光電流值約為1.4 nA。器件的響應度和探測率分別為0.86 mA/W 和 2.12×10¹¹ Jones。器件在五種不同彎曲程度下的光開關響應穩定。在不同彎曲狀態，光暗電流處于同一水平，證明了該器件具有高的穩定性和柔韌性。在彎曲200次的過程中，器件的光電流和暗電流波動的范圍很小，展現出良好的機械強度。在200個彎曲周期后，器件仍舊表現出快的響應時間，上升和恢復時間分別21.28 ms/25.15 ms。

圖5 BNNS柔性器件的探測性能

團隊所制備的探測器與其他hBN光電探測器相比，BNNS薄膜光電探測器具有暗電流超低、探測率高、響應速度快等特點。這種高性能十分適合在弱光檢測、高頻或高速器件中應用。更重要的是，該技術路線是以一種低成本、高效率的方式制備大面積hBN薄膜，為制備基于 hBN 的光電探測器陣列、探測成像和集成器件奠定了基礎。然而，目前該器件的響應度還有待提升，在今后的研究中，可以通過加入表面等離子體結構或帶有分布式布拉格反射器（DBR）的諧振腔來提高該性能。

研究團隊 | 作者

酥魚 | 編輯