CdSe/PbSnSe拓扑绝缘体量子阱红外光学性质研究

Multiple quantum wells constituted of normal band insulator CdSe and topological insulator PbSnSe will be grown by molecular beam epitaxy for long wavelength infrared detection. The surface states of the PbSnSe thin films will be evaluated by Angle-resolved photoemission spectroscopy. The optical band gap of the PbSnSe thin films will be studied by infrared absorption spectroscopy. Based on the well-controlled stoichiometry, thin film thickness, and interface microstructure, the infrared absorption of the CdSe/PbSnSe multiple quantum wells will be explored. The photoconductivity of the CdSe/PbSnSe multiple quantum wells will be learned from the photoconductors. Based on the performance of the photoconductors, the potential application in infrared detection will be discussed.

本项目以长波红外探测为背景，以分子束外延为基本手段，采用拓扑绝缘体PbSnSe与半导体CdSe构造多量子阱；采用角分辨光电子谱测量PbSnSe薄膜表面能带，采用红外吸收谱表征量子阱中PbSnSe层的光学禁带宽度，在实现Sn含量、PbSnSe薄膜厚度及界面结构有效控制的基础上，探索PbSnSe薄膜光学禁带宽度、光电导特性随量子阱结构特征的变化规律，建立起电子能带与薄膜组份、薄膜厚度、界面特性之间的相互关系，为红外吸收带边的有效调控奠定基础；通过光电导器件表征CdSe/PbSnSe量子阱的红外光电导特性，建立起量子阱红外光电导特性随辐射波长、辐射强度的变化规律，为评估其在长波红外探测方面的应用价值奠定基础。

根据长波红外探测技术的发展需求，针对HgCdTe材料制备所遇到的技术难题，结合窄禁带半导体PbSnSe的物性的优缺点，本项目申请所提出的研究思路是：通过Sn含量变化，使PbSnSe薄膜处于拓扑晶体绝缘体态，利用其表面Dirac锥状能带结构，为光生载流子提供高速输运通道，并采用拓扑绝缘体PbSnSe与半导体CdSe构造多量子阱，提高长波红外光子的吸收比率，为高性能长波红外探测器件发展探索可能的材料技术方案。.在项目实施过程中，虽然研究结果显示：通过Sn组份变化实现了PbSnSe薄膜禁带宽度有效调控，满足了长波红外光子吸收的技术要求，但由于在六角铅锌矿结构CdSe表面外延生长PbSnSe时，其面内存在三种外延关系，所生长PbSnSe薄膜存在30º大角晶界，导致其光电响应特性并不好；再加之，由于较为严重的界面反应，导致PbSnSe/CdSe量子阱的光吸收带边难以有效调控，没能实现预想的实验结果，为此，项目开展了其它方案的探索，包括：PbSnSe/MoSe2异质结、PbSnSe/石墨烯异质结以及PbSnSe/Bi2Se3异质结。.虽然，MBE原位构造的PbSnSe/MoSe2异质结具有优异的探测率技术指标，但因MBE生长的MoSe2薄膜载流子迁移率低，其时间响应特性的下降时间常数仍然不理想，为百毫米量级。此外，虽然，通过转移技术构造的PbSnSe/石墨烯异质结也具有优异的器件静态特性，但因石墨烯转移过程所引入的界面污染，导致其动态响应特性也不好。.为此，项目采用MBE原位构造了PbSnSe/Bi2Se3异质结，不仅实现了光生载流子从PbSnSe向Bi2Se3薄膜的电荷转移，所研制光伏型中波红外探测器具有优异的静态响应特性，光响应度约为3.9A/W，探测率约为8.7×1011 Jones，而且Bi2Se3薄膜表面Dirac锥状能带结构也为载流子提供了高速输运通道，大大改善了器件的响应时间特性，上升时间和下降时间均小于25ms，超出了所用设备测量极限。.总之，虽然研究过程否定了项目申请时所提设想，但通过其它方案的探索，项目最终获得了良好的实验结果，PbSnSe/Bi2Se3异质结是Ⅳ-Ⅵ族半导体红外探测器件的可行方案，将对大面阵长波红外成像芯片发展提供技术选择。