硫硒化亚锗光电探测器的制备及光电性能

doi:10.7503/cjcu20210154

高等学校化学学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (8): 2661.doi: 10.7503/cjcu20210154

硫硒化亚锗光电探测器的制备及光电性能

梁雪静¹, 赵付来¹(), 王宇¹, 张义超¹, 王亚玲¹, 冯奕钰¹^,², 封伟¹^,²()

^1.天津大学材料科学与工程学院
^2.先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室, 天津 300072

收稿日期:2021-03-08 出版日期:2021-08-10 发布日期:2021-04-16
通讯作者: 封伟 E-mail:ialufhz@163.com;weifeng@tju.edu.cn
作者简介:赵付来, 男, 博士, 助理研究员, 主要从事二维纳米材料及其复合材料光电子器件研究. E-mail: ialufhz@163.com
基金资助:
国家重点研发计划项目(2016YFA0202302);国家自然科学基金(51633007)

Preparation and Photoelectric Properties of Germanium Sulphoselenide Photodetector

LIANG Xuejing¹, ZHAO Fulai¹(), WANG Yu¹, ZHANG Yichao¹, WANG Yaling¹, FENG Yiyu¹^,², FENG Wei¹^,²()

^1.School of Materials Science and Engineering
^2.Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology，Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China

Received:2021-03-08 Online:2021-08-10 Published:2021-04-16
Contact: FENG Wei E-mail:ialufhz@163.com;weifeng@tju.edu.cn
Supported by:
the National Key R&D Program of China(2016YFA0202302);the National Natural Science Foundation of China(51633007)

摘要/Abstract

摘要：

采用微机械剥离法得到横向尺寸约为12 μm的硫硒化亚锗(GeS_0.5Se_0.5)纳米片, 以铬/金(Cr/Au)为接触电极, 首次制备得到GeS_0.5Se_0.5光电探测器, 并探究了其光电性能. 结果表明, 剥离所得的纳米片具有良好的结晶质量, 硫和硒在纳米片中分布均匀, 光学带隙为1.3 eV; 该光电探测器在515 nm光激发下最大探测能力达到4.52×10¹³ Jones, 最高响应度为1.15×10⁴ A/W, 外部量子效率为2.79×10⁶%, 展现出非常高效、快速和稳定的光响应能力.

关键词: 硫硒化亚锗合金, 半导体材料, 微机械剥离, 光电探测器

Abstract:

Germanium monochalcogenides are important members of group Ⅳ—Ⅵ semiconductor materials， with abundant reserves， low cost and low toxicity. Due to suitable band gap， high carrier mobility and light absorption coefficient， they have become the ideal choices for sustainable optoelectronic devices. Alloy enginee-ring is an important method for band gap tunning， which can adjust the light absorption range and even suppress the recombination of carriers， thereby improving the performance of photodetectors. In this work， a ternary alloy of germanium sulphoselenide（GeS_0.5Se_0.5） was synthesized by high-temperature solid-state reaction， and then the nanosheet with a lateral size of ca. 12 μm was prepared by micromechanical exfoliation. With the chromium（10 nm）/gold（120 nm） electrode as the contact electrode， a GeS_0.5Se_0.5 photodetector was prepared for the first time， and its photoelectric properties were explored. The results show that the nanosheet has good crystalline quality， sulfur and selenium atoms are uniformly distributed， and the optical band gap is 1.3 eV between GeSe（1.1—1.2 eV） and GeS（1.55—1.65 eV）. Under 515 nm light excitation， the photodetector exhi-bits a very efficient， fast and stable optoelectronic properties， with a ultra-high specific detectivity（D^*） of 4.52×10¹³ Jones， a high photoresponsivity（R_λ） of 1.15×10⁴A/W， and an external quantum efficiency（EQE） of 2.79×10⁶%. In short， this research has contributed a very promising new type of ternary semiconductor with a narrow band gap to the field of optoelectronic devices， and provided a certain reference and guidance for the research of high-performance optoelectronic devices.

Key words: Germanium sulphoselenide alloy, Semiconductor material, Micromechanical exfoliation, Photodetector

中图分类号:

O649

TrendMD:

梁雪静, 赵付来, 王宇, 张义超, 王亚玲, 冯奕钰, 封伟. 硫硒化亚锗光电探测器的制备及光电性能. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2661.

LIANG Xuejing, ZHAO Fulai, WANG Yu, ZHANG Yichao, WANG Yaling, FENG Yiyu, FENG Wei. Preparation and Photoelectric Properties of Germanium Sulphoselenide Photodetector. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2661.

图/表 7

Scheme 1 Schematic diagram of the GeS0.5Se0.5 photodetector under light irradiation

Fig.1 XRD patterns of GeS, GeSe and GeS0.5Se0.5 crystals

Fig.2 Optical photo(A), SEM image(B) and SEM elemental mapping(C—E) and corresponding energy? dispersive spectroscopy(F) of bulk GeS0.5Se0.5（C） Ge；（D） S；（E） Se.

Fig.3 Optical(A) and HRTEM(B) images of the GeS0.5Se0.5 nanosheetInset of （B） is SAED pattern.

Fig.4 AFM image(A) and the height profile(B) of the GeS0.5Se0.5 photodetector

Fig.5 Raman spectra(A) and photoluminescence spectrum(B) of the GeS0.5Se0.5 nanosheet

Fig.6 Photoresponse of the GeS0.5Se0.5 photodetector under irradiation of 515 nm laser（A） Ids-Vds curves in the dark and under light illumination with different power intensities；（B） Ids-Vg curves in the dark and under light illumination with different power intensities at Vds=-10 V；（C） time-resolved photoresponse at Vds=-10 V and P=1.192 mW/cm2；（D） response time of the device at Vds=-10 V and P=1.192 mW/cm2.

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Preparation and Photoelectric Properties of Germanium Sulphoselenide Photodetector

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