基于空穴增益机制的二氧化钛/氧化石墨烯紫外探测器的研究

Wide band-gap semiconductor ultraviolet (UV) photoelectric detectors with advantages of good stability and high responsivity, have extensive applications in the fields of smart power grid monitoring, UV communication, biological medicine and military affairs and so on. In this project, a heterojunction UV detector based on one-dimensional composite oxide nanowire array (NWA) and two-dimensional graphene oxide (GO) films is proposed, employing the superiority of P-type semiconductor properties and energy level adjustability from GO generated by introducing functional groups containing oxygen to the oxidized graphite, which also give rise to energy level matching with one-dimensional composite oxide NWA that possesses the same property of energy level tunability. By blocking and restricting the electrons in dark state and making use of hole gain mechanism and extraction effect for the minority carriers under UV illumination, this structure can significantly improve the responsivity, decrease dark current as well as noise current, shorten response and recovery time, and make the spectral photo-response range tunable, so that the detection capability of UV detectors improves roundly. The research in this project can not only develop new UV detection material system, solve the key technology problems existing in the current study of UV detectors, but also reveal the influences of material level structure, surface and interface structure on photoelectric conversion efficiency of heterojunction devices, and provide novel means for exploring UV detectors with new working mechanism.

氧化物半导体紫外探测器有性能稳定、响应度高等优点，在智能电网监测、光存储和军事等领域有重要应用。针对此类器件探测灵敏度偏低、综合性能难以均衡提高的问题，项目提出基于一维复合氧化物纳米线阵列和二维氧化石墨烯（GO）的异质复合材料紫外探测器，利用石墨被氧化后引入含氧官能团所生成的GO具有p型半导体性质且能级可调的优势，使其与一维氧化物纳米线阵列构建能级匹配的异质结结构，通过暗态下GO对电子的阻挡、限制作用，以及光照下产生的空穴增益机制和少数载流子萃取效应，大幅提升器件的光响应度，降低暗电流和噪声电流，缩短响应时间，并实现光谱响应范围的可调。通过项目的研究，不但可开发新型紫外探测材料体系，而且可以揭示材料能级结构、表面和界面态对器件光电转换效率的影响，为探索具有新型工作机制的紫外探测器提供新的解决思路。

紫外光电探测器具有抗干扰能力强和适用于恶劣环境等优良特性，在科研、军事、太空、环保及许多工业领域具有重要应用价值。目前的紫外探测器仍然以硅基紫外光电管和光电倍增管等为主，它们虽然灵敏度高，但是存在需附加滤光片或体积大、易损坏、需在高电压下工作、成本高等缺点，难以满足现代电子技术的发展。. 本项目提出基于复合氧化物和二维氧化石墨烯（GO）薄膜的异质紫外探测器。利用石墨被氧化后引入含氧官能团所生成的GO材料具有p型半导体性质且能级可调的优势，使其与复合氧化物纳米材料形成异质结结构，通过材料的复合实现能级的匹配、性能的互补，从而在有效降低暗电流和噪声的前提下，大幅提高以N型氧化物半导体为基体材料的器件的空穴增益，进而全面提升紫外探测器的探测能力。. 项目实施过程中，制备出具有完好结晶度的宽禁带金属氧化物薄膜，并通过Mg、Zr离子掺杂有效调节感光薄膜的紫外吸收边，使紫外探测器的探测范围可调。在此基础上，制备出金属氧化物/GO异质结构紫外探测器，利用异质结结构限制暗电流并降低器件整体噪声；通过对接触势垒的调控，增进少数载流子的注入，扩大器件增益；通过异质结内建电场加强光生载流子分离，提高光响应度；通过能级匹配及异质结构促进光生载流子的传输，减小响应时间。项目执行过程中，申请发明专利7项，其中3项获得授权；发表高水平论文13篇，培养博士研究生6人，硕士研究生4人。截至项目结题，全部超额完成计划书规定的任务指标。