摘 要

深圳大學梁廣興研究員團隊提出一種Sb2Se3光吸收層和異質結界面協同調控策略，實現了Mo/Sb2Se3/CdS/ITO/Ag平面異質結自驅動光電探測器。

文章簡介

光電探測器利用半導體對光的吸收將光信號轉變為電信號，在國民經濟生活和軍事上扮演重要作用。為了進一步降低光電探測器成本，實現環境友好、高效穩定且無源自驅動的應用需求，光伏型薄膜光電探測器逐漸成為研究熱點。其中，V-VI族二元半導體硒化銻(Sb2Se3)在新型薄膜光電探測器研究領域引起關注，主要由于以下優勢：

①Sb2Se3原材料綠色低毒、儲量豐富且價格低廉；

②Sb2Se3具有獨特的一維晶體結構（c方向為共價鍵，a和b方向為弱范德華力），強各向異性促使載流子沿著[Sb4Sb6]n鏈有效輸運，在鏈間則以hopping形式傳輸，利于消除探測器橫向串擾；

③Sb2Se3存在VSb、VSe等點缺陷，對應的缺陷深度為0.4~0.7 eV，有望利用缺陷吸光進行非本征探測，拓寬探測波段；④Sb2Se3二元單相組成易于制備，同時具有較低的結晶溫度(133°C)，相應探測器與CMOS工藝高度兼容。針對目前Sb2Se3自驅動薄膜探測器由于缺陷復合嚴重、界面能帶錯配等原因造成響應度和響應速度不足的關鍵科學問題，深圳大學物理與光電工程學院梁廣興和陳爍等提出一種Sb2Se3光吸收層和異質結界面協同調控策略。

采用與產業兼容性高的濺射硒化法制備[hk1]擇優取向生長的Sb2Se3薄膜，構建Sb2Se3/CdS平面異質結光電探測器。為了進一步提升器件性能，設計Al3+摻雜CdS緩沖層，降低界面及體缺陷濃度、優化p-n結界面能帶排列且增加耗盡層寬度，從而有效抑制載流子復合，強化載流子輸運。

基于此，該薄膜光電探測器能夠實現無外加偏壓自驅動工作，響應度提升至0.9 A/W(at 11 nW/cm2)、真實探測度高達4.78×1012Jones、線性動態范圍達到120 dB、開關比為106、響應速度達到ns量級（響應時間24 ns和恢復時間75 ns）。

【主要內容】

本文通過系統調控濺射硒化工藝參數制備出高質量的Sb2Se3薄膜，據此構建 Mo/Sb2Se3/CdS/ITO/Ag平面結光伏型薄膜光電探測器。圖1展示不同工藝參數下器件的光譜響應度和響應速度，以及最優S2器件的關鍵探測性能，如：在635 nm激光照射下，器件具有明顯的整流特性，線性動態范圍約為80 dB，響應度最高達0.65 A/W（at 0.11 μW/cm2），綜合考慮散粒噪聲、1/f噪聲和熱噪聲的總噪聲下器件的真實探測度達到3.12×1012Jones，噪聲等效功率低至87 fW，表現出較強的弱光探測能力，同時具有長時間工作穩定性。

圖1 (A) Mo/Sb2Se3/CdS/ITO/Ag薄膜光電探測器的結構示意圖，以及電流-電壓(I-V)和電流-時間(I-T)測試原理圖。(B) 薄膜光電探測器的光譜響應度曲線。(C) 代表性S2、S3、S5和S6器件在635 nm激光照射下的時間響應曲線。(D) 最優S2器件在暗態和635 nm激光照射下的I?V曲線。(E) 器件的光電流和開關比與入射光強度的關系。(F) 器件的響應度和比探測度隨入射光強度的變化關系。(G) 器件的測試噪聲、計算出的散粒噪聲、閃爍1/f噪聲、熱噪聲和總噪聲隨頻率的變化關系。(H) 測試總噪聲決定的噪聲等效功率和實際探測度。(I) 器件在激光照射下的長時間光響應曲線。

系統表征Sb2Se3光吸收層薄膜的微結構，圖2顯示了不同工藝參數下的Sb2Se3薄膜的XRD圖譜、表面和截面SEM圖以及背界面處電阻曲線。分析薄膜的結晶度、生長取向、晶粒大小、厚度、電阻等對器件性能的影響。結果表明Sb2Se3薄膜微米級晶粒緊密堆積，[hk1]良性晶界且高載流子遷移率方向擇優生長以及合適的背接觸勢壘是高性能薄膜光電探測器的基本保障。

圖2 (A) 代表性Sb2Se3薄膜的XRD圖譜。(B) Sb2Se3晶體生長示意圖。(C) 基于Mo/Sb2Se3/Mo結構的Sb2Se3薄膜的暗電流-電壓（I?V）曲線。(D-F) Sb2Se3薄膜的表面SEM圖，反映表面形貌隨硒化反應溫度的變化。(G-H) Sb2Se3薄膜的截面SEM圖，反映薄膜厚度的變化。

為了進一步提升器件性能，設計引入Al3+摻雜CdS緩沖層，通過Sb2Se3/CdS (Al)異質結界面性能調控以優化薄膜光電探測器性能。圖3為不同摻雜濃度對器件光譜響應度的影響以及最優摻雜濃度下器件的關鍵性能表征。實驗結果表明，該離子摻雜可明顯提升器件性能。

在635 nm激光照射下，最優器件的響應度提升至0.9 A/W，是Sb2Se3自驅動光電探測器的代表性響應度值；線性動態范圍達到120 dB，與商用Si光電探測器相當，同時905 nm激光照射下仍有100 dB，展現近紅外光電探測能力；Ilight/Idark開關比高達4.13×106；考慮總噪聲條件下創造了4.78×1012Jones的Sb2Se3真實探測度最高記錄；在脈沖激光下，器件的響應/恢復時間分別為24/75 ns，Sb2Se3光電探測器的響應速度到達ns級別。

圖3 (A) 原始S2A0及摻雜的S2A1、S2A2、S2A3和S2A4薄膜光電探測器光譜響應度曲線。(B) 最優S2A3光電探測器在暗態和635 nm激光照射下的I?V曲線。(C) 635 nm和905 nm激光照射下，器件的光電流與入射光強度之間的關系，以及“SZU”的成像圖（插圖）。(D) 器件的響應度和比探測度隨入射光強度的變化。(E) S2A3光電探測器的真實探測度和噪聲等效功率與頻率的關系曲線。(F) S2A0和S2A3光電探測器在脈沖激光照射下的瞬態光響應曲線。

為了闡明Al離子摻雜的作用機制，進行了系統的表征和分析。圖4對CdS (Al)和Sb2Se3薄膜進行了微結構表征，首先從XPS圖譜中可以明顯看到摻雜前后Al 2p特征峰的變化；TEM-HAADF信號強度分布圖進一步證實Al離子的成功摻雜，結合EDS元素分布可知Al離子在CdS緩沖層中均勻分布。此外，光吸收層的HAADF-STEM表征也再度證實Sb2Se3薄膜的高結晶性及[hk1]擇優取向生長。

圖4 (A-C) Al3+摻雜前后CdS緩沖層中各元素的XPS信號變化。(D) Sb2Se3/CdS (Al)異質結界面的HRTEM圖。(E) CdS (Al)緩沖層區域的HAADF-STEM圖像。(F)從(e)中黃色矩形框獲取的HAADF信號強度分布圖，以及匹配的原子結構示意圖。(G) Sb2Se3光吸收層區域的HAADF-STEM圖像。(H) EDS元素面分布圖。(I) EDS元素線掃描強度輪廓圖。

圖5對器件的電學性能、界面缺陷以及體缺陷進行了系統表征。結果表明，Al離子摻雜后，器件的二極管品質因子從2.07改善為1.59、串聯電阻從4.93 Ω cm2降低至2.41 Ω cm2、反向飽和電流密度從1.29×10-2mA/cm2降低至6.24×10-3mA/cm2、而內建電勢從558 mV提升至660 mV，表明摻雜后與異質結相關的關鍵電學性能得到明顯改善。

同時，器件界面缺陷濃度從4.50×1014cm-3降低至3.17×1014cm-3、體內空穴和電子缺陷濃度均表現為缺陷能級變淺且缺陷濃度降低，表明Al離子摻雜同時改善了異質結界面和光吸收層性能，抑制有害缺陷且降低缺陷誘導的載流子復合。

圖5 S2A0和S2A3器件的電學性能和缺陷動力學分析：(A) 串聯電阻R和二極管理想因子A分析；(B) 反向飽和電流密度J0分析；(C) 暗態J?V曲線分析；(D) 1/C2?V曲線；(E) C?V和DLCP曲線；(F) Nyquist圖。(G) DLTS信號曲線；(H) S2A0和 (I) S2A3器件對應Sb2Se3的能帶位置和缺陷能級。

最后，從載流子動力學角度分析了界面缺陷及體缺陷抑制、能帶匹配優化對器件性能的影響（圖6）。Al離子摻雜可調整CdS緩沖層的費米能級、導帶和價帶位置，從而優化了Sb2Se3/CdS異質結的能帶匹配，從Cliff-like構型轉變為理想的Spike-like構型，抑制界面載流子復合，強化載流子分離和輸運。

此外，耗盡層寬度的增加可加強載流子的漂移運動，減小自由運動程及非耗盡區的擴散時間，進一步降低載流子復合的概率。最終，載流子復合抑制及傳輸增強共同促進Sb2Se3薄膜光電探測器性能的提升。

圖6 (A-B) Sb2Se3/CdS和Sb2Se3/CdS (Al)異質結的界面缺陷、能帶排列示意圖，體現載流子傳輸和復合機制。(C-D) S2A0和S2A3器件中載流子擴散和漂移動力學示意圖。

結論：

本文成功構建了Sb2Se3/CdS平面異質結薄膜光電探測器。通過光吸收層工程和界面工程的協同調控可以顯著抑制缺陷輔助的載流子復合，增強載流子輸運，對應器件性能超過目前文獻報道的Sb2Se3基自驅動薄膜光電探測器性能，同時也可以與目前研究較為先進的石墨烯、鈣鈦礦等光電探測器性能相媲美。該研究對新型高性能自驅動薄膜光電探測器的發展具有一定的促進作用。

審核編輯：劉清