超薄Al2O3钝化的PbS/SnO2异质结用于自供电光检测和加密光通信

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Ultrathin Al2O3 passivated PbS/SnO2 heterojunction for self-powered photodetection and encrypted optical communication

　　

王荣宝|吕全江|张文进|赵学军|刘思伟|侯海刚|刘桂武|乔冠军|刘俊林

江苏大学材料科学与工程学院，镇江，212013，中国

摘要

由于晶格失配和表面陷阱态导致的界面载流子复合仍然是溶液处理异质结光电探测器性能的关键瓶颈。在这里，我们通过在PbS/SnO₂界面战略性地插入一层超薄的磁控溅射Al₂O₃介电隧穿层来抑制这些有害效应。通过系统优化层间厚度，我们实现了良好的界面钝化并改善了带对齐，有效地降低了暗电流，同时促进了光载流子的有效提取。因此，该工程化器件在零偏压（自供电）操作下在1550纳米处的特定检测率为8.00 × 10⁹ Jones——与对照器件相比提高了4.0 × 10³倍。利用该器件的光响应，进一步展示了可编程的光逻辑功能，包括在单个光电探测器中实现XOR门。这一功能使得加密光信号传输和解码成为可能，突显了这种异质结在可重构、节能和安全光通信系统中的潜力。

引言

红外（IR）光电探测器是能够感知并将红外辐射转换为电信号的关键设备，在激光系统、环境监测、精准农业和医疗诊断等领域有着广泛的应用[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。它们强大的穿透能力、高信号保真度和出色的抗干扰性能使其在民用和国防技术中不可或缺。然而，大多数传统的IR光电探测器需要外部偏压才能工作，这不可避免地会导致较大的暗电流，从而增加功耗并降低信噪比[7,8]。构建p-n异质结提供了一种有效的方法来缓解这些问题。结界处的内置电场可以抑制多数载流子的扩散，大大降低暗电流并实现自供电操作[[9], [10], [11]]。为了有效吸收红外光，光电探测器材料必须具有足够窄的带隙，以确保在近红外和中红外区域有高的吸收系数。因此，合理选择结合高灵敏度和低成本的窄带隙半导体对于开发高性能、自供电的IR光电探测器至关重要。

硫化铅（PbS）是一种IV–VI族窄带隙半导体，在室温下的直接带隙约为0.41 eV，具有宽的光谱响应范围和大的光吸收系数，使其成为广泛采用的IR光电检测活性材料[[12], [13], [14], [15]]。在克服其固有瓶颈（如高暗电流、低载流子迁移率和慢响应速度）方面已经取得了显著进展。例如，张等人制造了一种Si/PbS异质结光电探测器，在1550纳米处的响应/恢复时间为0.25秒/0.23秒，暗电流低至1.58 × 10^?8 A，特定检测率为1.3 × 10⁹ Jones [16]。为了进一步解决这些问题，本研究中选择了二氧化锡（SnO₂）与PbS形成异质结。SnO₂是一种n型半导体，具有大约4.1 eV的相对宽的带隙，具有优异的热稳定性和化学稳定性以及高电子迁移率[17,49]。基于SnO₂的异质结构已经展示了高效的宽带检测和自供电操作。例如，孙等人实现了在零偏压下的MoS₂/SnO₂异质结的紫外-可见-近红外宽带光响应[18]。尽管取得了这些进展，但传统的合成方法（如水热生长）往往会产生不均匀的薄膜，并且存在可扩展性限制[19,52]。相比之下，磁控溅射提供了一种可重复且可控的方法来沉积高质量、均匀的SnO₂薄膜。当与PbS结合时，两种材料的互补光学响应——PbS的近红外灵敏度和SnO₂的紫外-可见吸收——使得PbS/SnO₂异质结能够实现宽带检测，并通过界面内置电场增强载流子分离。

然而，不同半导体材料之间的界面晶格失配通常会引入高密度的界面态，这些界面态充当复合中心。特别是在PbS/SnO₂界面，这些中心会在红外光照下捕获PbS层中生成的空穴，抑制光生载流子的分离并降低光电流[[20], [21], [22]]。因此，有效的界面钝化层对于降低界面复合率至关重要。氧化铝（Al₂O₃）是一种宽带隙绝缘体，在钝化界面缺陷和悬挂键方面表现出色。徐等人的先前工作表明，用Al₂O₃层钝化Si/MoO_x界面显著提高了器件的检测率至3.98 × 10¹¹ Jones，从而改善了界面稳定性[23]。超薄的Al₂O₃层不仅抑制了沉积过程中SnO₂和PbS之间的潜在化学反应，还减少了界面缺陷密度，并引入了固定的负电荷，从而在允许载流子通过隧穿传输的同时抑制了界面复合。

在这里，我们设计了Ag电极PbS/Al₂O₃/SnO₂异质结器件，并将其性能与仅含PbS和PbS/SnO₂结构进行了对比，以阐明Al₂O₃中间层对光检测的影响。此外，还分析了PbS/Al₂O₃/SnO₂异质结的带结构，以阐明其工作机制。我们的结果表明，加入钝化层能够实现更好的异质结界面接触，从而获得优异的光电性能。值得注意的是，通过利用探测器的独特光响应特性，我们成功构建了可编程逻辑门，特别是XOR门，实现了信息加密和解密。这种方法为高效且安全的光通信提供了一种新的策略。

节摘录

实验部分

PbS阵列的制备： 使用0.05 M醋酸铅三水合物（Pb(CH₃COO)₂·3H₂O，≥99.5%）和0.15 M硫脲（CH₄N₂S，≥99%）作为阳离子和阴离子前驱体，通过化学浴沉积（CBD）工艺合成了PbS薄膜。三钠柠檬酸二水合物（C₆H₅Na₃O₇·2H₂O，≥99%）被用作配体来调节Pb²⁺的活性，而溶液的pH值使用0.356 M四甲基氢氧化铵（TMAH，C₄H₁₃NO·5H₂O，≥99%）进行调整。

结果与讨论

图1a示意性地展示了所制备的PbS/Al₂O₃/SnO₂异质结光电探测器的结构。Ag电极分别与PbS和SnO₂层相连，以便在光照下高效提取光生载流子，并在PbS/SnO₂界面插入了一层超薄的Al₂O₃中间层。为了研究PbS/Al₂O₃/SnO₂光电探测器的相组成，对PbS和SnO₂层进行了XRD分析，结果如下所示

结论

总之，本研究通过构建具有超薄Al₂O₃钝化层的PbS/Al₂O₃/SnO₂异质结，建立了一种有效的界面工程策略，用于实现自供电光检测。原始的PbS/SnO₂界面由于高密度缺陷态的存在而遭受严重的复合损失，这些缺陷态会捕获光生空穴并阻碍载流子的分离。引入超薄的Al₂O₃中间层有效地抑制了这些界面效应

CRediT作者贡献声明

王荣宝：写作 – 审稿与编辑，研究，形式分析，数据整理。吕全江：写作 – 审稿与编辑，监督，方法论，概念化。张文进：研究，形式分析。赵学军：研究，形式分析。刘思伟：写作 – 审稿与编辑，研究。侯海刚：写作 – 审稿与编辑，研究。刘桂武：写作 – 审稿与编辑，研究。乔冠军：写作 – 审稿与编辑，监督。刘俊林：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：62374076）和江苏省创新/创业计划（资助编号：JSSCTD202146）的支持。