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本研究由Huier Guo、Yu Xia、Yongqiang Yu、Ru Zhou、Haihong Niu、Xiaoli Mao、Lei Wan和Jinzhang Xu等作者共同完成，分别来自合肥工业大学材料科学与工程学院、物理学院、微电子学院以及电气工程与自动化学院。该研究于2021年11月2日在线发表在《Materials Science in Semiconductor Processing》期刊上，文章编号为106304。

学术背景

本研究的科学领域主要集中在半导体材料与器件，特别是二维材料与硅基异质结的光电探测器。二维材料如过渡金属二硫化物（TMdCs）和III-VI族化合物因其优异的光电性能，如高效的光-物质相互作用、高载流子迁移率和高功率转换效率，成为新一代光电子器件的热门候选材料。其中，硒化铟（In2Se3）作为一种直接带隙半导体，具有高效的光吸收和光生载流子特性，使其成为构建新型光电探测器的理想材料。然而，In2Se3基光电探测器的性能受到大规模高质量In2Se3合成以及器件结构和制备工艺优化的限制。因此，本研究旨在通过脉冲激光沉积（PLD）技术在硅衬底上原位沉积高质量的β-In2Se3薄膜，构建垂直β-In2Se3/Si p-n异质结，以实现高速、宽光谱响应的光电探测器。

研究流程

1. β-In2Se3薄膜的合成与表征
   研究首先使用脉冲激光沉积（PLD）技术在p型硅衬底上合成β-In2Se3薄膜。具体步骤包括：在预处理过的硅衬底上定义直径为4mm的圆形窗口，使用缓冲氧化物刻蚀（BOE）溶液去除窗口内的SiO2层，随后在500°C、5×10^-3 Pa的压力下，使用248 nm的PLD系统沉积β-In2Se3薄膜，脉冲激光能量为100 mJ，频率为2 Hz，沉积时间为60分钟。通过改变沉积时间控制薄膜厚度。
   合成的β-In2Se3薄膜通过场发射扫描电子显微镜（SEM）、X射线粉末衍射仪（XRD）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）和紫外-可见-近红外分光光度计（UV-Vis-NIR）进行表征。SEM图像显示薄膜均匀生长，XRD和拉曼光谱证实了β-In2Se3的高纯度和良好结晶性，XPS分析进一步验证了薄膜的成分。

2. β-In2Se3/Si p-n异质结的制备与光电性能测试
   在硅衬底上原位沉积β-In2Se3薄膜后，直接构建了β-In2Se3/Si p-n异质结。随后，通过化学气相沉积（CVD）生长的石墨烯作为顶部接触电极，并在石墨烯上形成Ag浆电极以便测量。
   异质结的电学特性通过半导体参数分析系统（Keithley 4200-SCS）进行测试。光电响应特性通过不同波长的激光二极管（LDs）作为光源进行测量，光强通过光学功率计（Thorlabs PM100D）精确控制。响应速度通过自建的测量系统（包括数字示波器、函数发生器和850 nm LD）进行表征。

3. 光电性能分析
   研究结果显示，β-In2Se3/Si p-n异质结在265 nm至1300 nm的宽光谱范围内表现出优异的光电响应特性。在-2 V偏压下，其响应度高达6.4 A/W，且在零偏压下的响应速度接近2.2 μs，显著优于大多数III-VI/Si基光电探测器和部分TMdCs/Si异质结。此外，对1300 nm近红外光的响应度达到0.12 A/W，优于大多数Si兼容的2D-3D异质结。
   通过分析电流-电压（I-V）曲线，异质结在暗态下表现出良好的整流特性，整流比为10^3。通过Tauc图计算，β-In2Se3薄膜的光学带隙为1.83 eV。时间响应曲线显示，异质结在周期性开关光源下表现出稳定且快速的响应特性，3-dB光学带宽约为0.1 MHz。

主要结果

1. 高质量β-In2Se3薄膜的合成
   通过PLD技术成功合成了高纯度、高结晶性的β-In2Se3薄膜，SEM、XRD、拉曼光谱和XPS表征结果证实了薄膜的高质量。

2. β-In2Se3/Si p-n异质结的光电性能
   异质结在宽光谱范围内表现出优异的光电响应特性，响应度高达6.4 A/W，响应速度接近2.2 μs，对1300 nm近红外光的响应度为0.12 A/W。

3. 异质结的整流特性与带隙分析
   异质结在暗态下表现出良好的整流特性，整流比为10^3，β-In2Se3薄膜的光学带隙为1.83 eV。

4. 时间响应与带宽
   异质结在周期性开关光源下表现出稳定且快速的响应特性，3-dB光学带宽约为0.1 MHz。

结论

本研究通过PLD技术成功构建了高速、宽光谱响应的β-In2Se3/Si p-n异质结光电探测器。该器件在265 nm至1300 nm的宽光谱范围内表现出优异的光电响应特性，响应度高达6.4 A/W，响应速度接近2.2 μs，对1300 nm近红外光的响应度为0.12 A/W。这些结果表明，本研究为构建高性能、宽光谱响应的III-VI/Si 2D-3D异质结光电探测器开辟了新的途径。

研究亮点

1. 高质量β-In2Se3薄膜的合成
   通过PLD技术成功合成了高纯度、高结晶性的β-In2Se3薄膜，为构建高性能异质结奠定了基础。

2. 优异的光电性能
   β-In2Se3/Si p-n异质结在宽光谱范围内表现出优异的光电响应特性，响应度和响应速度显著优于同类器件。

3. 高速响应与宽光谱探测
   异质结在零偏压下的响应速度接近2.2 μs，3-dB光学带宽约为0.1 MHz，表现出高速响应特性。

其他有价值的内容

本研究还通过分析异质结的能带结构，解释了其优异光电性能的机制。β-In2Se3与Si之间形成的II型异质结有助于在光生载流子分离过程中提高光电转换效率。此外，薄膜中的Se空位缺陷增强了近红外光的响应特性。

本研究通过创新的PLD技术和高性能异质结设计，为宽光谱、高速光电探测器的开发提供了重要的理论和实验基础。