摘要
高性能红外光电探测器常应用于航天遥感、夜视侦查、天文观测、医学成像和工业无损检测等军事与民用方面，是远距离探测技术的核心。时至今日，性能优异的商用红外光电探测器通常依赖于具有3D晶体结构的化合物半导体，如HgxCd1-xTe、InxGa1-xAs、InSb、Ge以及Ⅱ型InAs/GaSb异质结等。然而，这些成熟的红外光电探测器技术仍然存在一些缺点，例如繁杂的制造工艺，体积相关的热噪声，以及像素尺寸有限。一些低维半导体材料和新型的二维材料由于其可控的厚度与可调的能带结构常具有独特的光电性能。将低维半导体材料集成到传统的半导体制造工艺中可以进一步优化传统光电探测器器件的探测性能。同时异质结技术最大的优势是其可实现高效的光利用率，从而进一步提高光电器件的光谱响应范围，响应度以及响应速度。基于此，本论文采用模拟仿真，结构设计，性能优化多个方面对锗基异质结光电探测器进行了一系列研究。研究主要内容可以分为3部分： (1)MXene/n-Ge肖特基异质结光电探测器制备及其性能研究。首先通过HCl+HF混合溶液刻蚀Ti3AlC2(MAX)制备了Ti3C2Tx(MXene)胶体溶液，采用简单的滴注方式制备MXene/n-Ge肖特基异质结光电探测器。所制备的光电探测器表现出自驱动(0V)、宽带(365-1550nm)和快速响应的优异性能，其中响应度为3.14A/W，开关比为~104，器件上升和下降时间分别为1.4μs和4.1μs。除此之外，我们还研究了器件的温度特性，发现器件在73K的低温状态下仍然可以正常工作。 (2)CsPbBr3/p-Ge异质结光电探测器的制备及其性能研究。为了进一步提高Ge基器件在紫外可见与近红外区域的响应度，采用CsPbBr3作为紫外可见区域的光活性层与红外区域的抗反射涂层，制备CsPbBr3/p-Ge异质结光电探测器。首先，利用溶液法使用PbBr2和CsBr溶液通过浓度配比调节CsPbBr3能带结构制备出高质量的CsPbBr3粉末，采用单源真空气相沉积技术，在SiO2、Ge、Si衬底沉积不同厚度的CsPbBr3薄膜。采用Comsol波动光学模块与半导体模块模拟分析了薄膜厚度对异质结器件光学性能的影响。基于CsPbBr3薄膜制备的光电导型光电探测器在紫外可见领域表现出良好的光电性能(开关比为1.65×104，响应度为3.8mA/W，比探测率为3.36×1010Jones)。CsPbBr3/p-Ge异质结光电探器表现出自驱动(0V)、宽带特性(365-1550nm)。在0V偏压和1550nm光照下，器件获得了1.5×10-11的低暗电流，6.4×104的大开关比(4.42mW/cm2)，响应度为64mA/W，探测率为1.2×1012Jones，在5V偏压下器件获得了大响应度为3.4A/W。在1310nm光照和20kHz的工作频率下器件的上升时间与下降时间分别为12.3μs与13.4μs。 (3)MXene等离子体增强CsPbBr3/n-Ge异质结光电探测器的制备及其性能研究。为了进一步提高Ge基异质结器件的响应度，设计了MXene等离子体增强异质结光电探测器。采用化学气相沉积技术直接在SiO2、Ge基底上生长不同厚度的CsPbBr3薄膜。基于CsPbBr3薄膜制备的光电导型光电探测器在5V偏压下和365nm光照下响应度为2.85mA/W，最大探测率为2.25×1010Jones。CsPbBr3/n-Ge异质结光电探测器在1V偏压下和365nm光照下的响应度为36.5A/W，探测率为3.7×1011Jones。MXene修饰的CsPbBr3/n-Ge异质结光电探测器在1V偏压下和365nm光照下的响应度为181A/W，探测率为3.1×1011Jones。
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