研究背景
红外光电探测器和成像传感器阵列（波长范围为1-14 μm）在包括夜视、遥感、光通信和新兴医学成像在内的广泛应用中至关重要。短波红外（SWIR，1-3 μm）器件和阵列中的半导体主要由单晶锗（Ge）和III-V半导体（例如InGaAs和InGaAsP）主导。但是，这些材料通常通过复杂的方法来生长，包括MBE和MOCVD，从而导致复杂的制备过程并随之产生高成本。因此，开发能够结合简单制备过程和高器件性能的新材料体系仍然具有挑战性。可以满足上述要求的一种潜在材料体系是碲（Te），一种具有一维晶体结构的材料，其间接带隙~0.31 eV。最近的研究表明，Te可制备用于红外光探测的光电导体，具有良好的响应率和比探测率。然而，Te基光电导体的性能受到高暗电流的限制。
成果介绍
有鉴于此，近日，美国加州大学伯克利分校Ali Javey教授等报道了带隙可调的热蒸发SexTe1-x合金薄膜，用于制备高性能SWIR光电探测器。从吸收测量结果可以看出，SexTe1-x薄膜的带隙可以连续地从0.31 eV（Te）调谐到1.87 eV（Se）。由于其可调的带隙，可以在SWIR方案中调控SexTe1-x薄膜基光电导体的峰值响应位置和光响应边缘。通过使用由Au/Al2O3组成的光学腔体衬底来增强其在带隙边缘附近的吸收，基于Se0.32Te0.68薄膜（光学带隙≈0.8 eV）的光电导体在1.7 μm处具有截止波长，并且室温下在1.55 μm时的响应率为1.5 AW-1，隐含探测率为6.5×1010 cm Hz1/2 W-1。重要的是，热蒸发过程的性质使得能够制备具有良好像素均匀性的Se0.32Te0.68基42×42焦平面阵列，从而证明了这种用于红外成像传感器系统的独特材料体系的潜力。文章以“Evaporated SexTe1-x Thin Films with Tunable Bandgaps for Short-Wave Infrared Photodetectors”为题发表在着名期刊Advanced Materials上。
图文导读
图1. SexTe1-x薄膜的晶体结构和材料表征。（a）从不同方向观察SexTe1-x晶体的晶体结构。（b-d）不同组分SexTe1-x薄膜的RBS光谱、拉曼光谱和XRD图。（e）25 nm厚Se0.32Te0.68薄膜的HRTEM图像。
SexTe1-x合金与Te具有相同的晶体结构，其中Te被Se部分取代，如图1a所示。可以清楚地看到，三角形螺旋Se/Te原子链通过范德华力以六边形阵列堆垛在一起。这种材料的独特优势之一是，Se/Te原子仅通过每个单螺旋链中的共价键连接到两个最近的Se/Te原子，这表明SexTe1-x具有真正的一维晶体结构。因此，悬挂键仅存在于该晶体的分子链末端，表面复合较小。将准备好的SexTe1-x合金晶体用作源，通过热蒸发工艺在大约-110 ℃的衬底温度下沉积厚度不同的SexTe1-x薄膜。SexTe1-x薄膜的组分通过卢瑟福背散射光谱（RBS）进行表征，如图1b所示。SexTe1-x薄膜还具有拉曼光谱特征，进一步证明了从Te到Se的逐渐转变（图1c）。从XRD表征可以看出，只有少数高Te含量样品是多晶的，而其他样品是非晶的（图1d）。非晶态的SexTe1-x（x> 0.3）薄膜可以在几分钟内通过在温和的温度（100-140 ℃）下进行简单的退火工艺轻易地转变为多晶薄膜。对于诸如Te之类的可移动原子，衬底温度是影响薄膜质量的关键因素，在低温下可以获得最大晶粒尺寸。HRTEM图像清楚地显示了退火后Se0.32Te0.68薄膜的多晶结构（图1e）。
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图2. 组分依赖的光学性能。（a）各种组分SexTe1-x薄膜的吸收光谱。（b）吸收光谱中提取的光学带隙。
接下来，对在石英（x>0.3）或CaF2（x<0.3）衬底上蒸发的SexTe1-x薄膜进行系统的光学表征。如图2a所示，SexTe1-x薄膜的吸收光谱覆盖了中波红外（纯Te）到可见光（纯Se）的较宽波长范围。纯Te和Se薄膜分别具有约4000 nm和650 nm的吸收边缘，并且当Se含量增加时，吸收边缘会从4000 nm逐渐移至较短波长。图2b清楚地表明，通过增加Se含量，可以将SexTe1-x薄膜的带隙从0.31 eV（纯Te）调谐为1.87 eV（纯Se）。请注意，所有样品均为间接带隙半导体。
图3. 组分依赖的电学性能。（a）SexTe1-x薄膜基FET的光学显微镜图像和器件结构示意图。（b）不同组分SexTe1-x FET的Id-Vg曲线。（c）不同组分SexTe1-x薄膜基FET的有效迁移率和电流开/关比。
接下来，探讨SexTe1-x薄膜组分依赖的电学特性。进一步增加SexTe1-x薄膜中的Se含量会进一步降低霍尔效应迁移率和空穴浓度。SexTe1-x薄膜基FET的光学显微镜图像和器件结构示意图如图3a所示。Id-Vg曲线清楚地显示出所有SexTe1-x FET的p型输运特性（图3b）。如图3c所示，基于纯Te且厚度为8.5 nm的FET具有≈46 cm2 V-1 s-1的有效迁移率和≈103的开/关比。当SexTe1-x沟道中的Se含量从0％增加到32％时，由于结晶相到非晶相的转变，有效迁移率从≈46降低到≈1.2 cm2 V-1 s-1，与霍尔效应测量显示出相同的趋势。由于带隙随硒含量的增加而增加，开/关比从≈103增加到大于104。
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图4. SexTe1-x薄膜基光电导体。（a）在Au/Al2O3衬底上SexTe1-x薄膜基光电导体的示意图。（b）不同组分SexTe1-x薄膜基光电导体的归一化光谱响应率。（c）28 nm厚Se0.32Te0.68光电导体的Id-Vg特性。（d）Se0.32Te0.68光电导体的每瓦光谱响应率。（e）隐含探测率。（f）Se0.32Te0.68光电导体的频率响应，显示3 dB频率为2.4 MHz（λ=1.55 μm）。
接下来，使用Au/Al2O3作为衬底来制备SexTe1-x光电导体，器件结构如图4a所示。Au叉指接触用于促进有效的电子/空穴提取。随后，探讨SexTe1-x薄膜基光电导体组分依赖的光响应。如图4b所示，它们具有可定制的光谱光响应，可通过改变SexTe1-x的组分进而调控带隙来实现。通过降低Se含量，可以将光响应边缘调谐到更长的波长，Se含量分别为43％、32％和23％时，其值分别为1.5、1.8和2.5 μm。因此，SexTe1-x薄膜具有可广泛调节的带隙，能够选择适合给定器件应用的光响应边缘。为此，选择光学带隙为0.8 eV的Se0.32Te0.68薄膜用于光电探测器的制备，以截止波长约为1.7 μm（单晶Ge SWIR光电探测器的典型值）的SWIR为目标。值得一提的是，宽的子带隙吸收可归因于Se0.32Te0.68薄膜中的缺陷。
为了获得最佳性能，需要在吸收和暗电流之间取得平衡，因此，在接下来的器件中采用厚度约28 nm的Se0.32Te0.68薄膜。297和78 K时，在黑暗和白光照射下从典型的Se0.32Te0.68光电导体的Id-Vg曲线中可以观察到光电流（图4c）。器件的全光谱响应率如图4d所示，对于Vd=2 V和Vg=10 V，在78 K和297 K时，探测器在λ=1.2 μm处分别显示出1.5和1.8 AW-1的峰值响应率。图4e给出了78 K和297 K时隐含探测率与波长的关系，该器件在室温下的峰值D*为6.5×1010 cm Hz1/2 W-1，在低温下，此值会增加到3.6×1011 cm Hz1/2 W-1的峰值，因为噪声电流会大大降低，而响应率仅略有降低。为了表征频率响应，通过在较宽的频率范围（1~8 MHz）内以正弦方式调制激光二极管来测量光响应。如图4f所示，在此频谱范围内，可以看到≈2.4 MHz的清晰截止频率。
图5. 基于Se0.32Te0.68薄膜的焦平面阵列。（a）不同放大倍数下的光学显微镜图像。（b）像素的器件结构示意图。（c）无源矩阵寻址的构型。（d）FPA所有1764像素在1.4 μm处的响应率直方图。（e）FPA的暗电流图像。（f）FPA拍摄的FTIR白光源图像。
通过简单的热蒸发工艺，Se0.32Te0.68薄膜可在各种衬底上进行晶圆级的均匀薄膜沉积。结合出色的光电探测器性能，Se0.32Te0.68薄膜成为制备红外图像传感器（如焦平面阵列（FPA））的有力候选者。图5a显示了在不同放大倍数下获得的42×42 FPA的光学显微镜图像。每个像素的范围为80 μm×90 μm，其结构如图5b所示。为了确认FPA中像素到像素均匀性，使用串行无源矩阵构型（图5c）来测量所有1764个像素的光响应和暗电流。为了量化FPA均匀性，给出了在1.4 μm波长处像素响应率的直方图，如图5d所示。可以看出，这些响应率具有相对较窄的分布，表明FPA具有良好的均匀性。此外，FPA在暗电流方面也显示出良好的均匀性，1764个像素显示出170-220 nA范围内的暗电流（图5e）。为了演示成像，还使用相机镜头将FTIR白光源成像到FPA上（图5f）。
总结与展望
本文对热蒸发的SexTe1-x薄膜的电子和光学性质进行了系统的研究。带隙可调的SexTe1-x合金是用于制备高性能和低成本SWIR光电探测器的有前途材料。通过热蒸发对均匀的薄膜进行简单的低温沉积（-110 ℃），也可以制备用于SWIR成像的FPA。将来，可以使用结晶度和纯度的进一步改进来优化光电探测器的性能。凭借简单的沉积方法和低成本，将SexTe1-x薄膜与Si CMOS读取芯片集成在一起，在构建高性能、低成本和高分辨红外图像传感器系统方面具有巨大潜力。
文献信息
Evaporated SexTe1-x Thin Films with Tunable Bandgaps for Short-Wave Infrared Photodetectors
(Adv. Mater., 2020, DOI:10.1002/adma.202001329)
文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202001329
