新型高性能可见-近红外光电探测器的研究

摘要

当人类第一次睁开眼睛的时候，自然赋予人类的光电探测器“眼睛”，就这样开始工作了。第一个真正意义上的光电探测器是在光电效应提出之后制作出来的。与日俱增的市场需求促使光电探测器的研究快速发展，例如军用设备市场强劲需求导致红外探测的研究和生产快速增长。微电子工艺技术和新材料的迅猛发展，使得光电探测器的探测范围从紫外到红外区域均有大量相关的研究和应用。但是，为了获取更好的性能，更宽的探测范围，研究人员集中精力致力于提高器件性能。本文将着重讨论如何采用拓扑绝缘体材料和采用表面等离子共振增强技术制备新型高性能可见——近红外光电探测器，具体内容如下:　　1.拓扑绝缘体是一类内部绝缘，表面呈现金属特性的材料，该材料表面对旋光有响应，基于以上特性考虑用拓扑绝缘体碲化锑制备光电探测器。本文是采用分子束外延的方法制备拓扑绝缘体碲化锑薄膜，并利用ARPES，XRD等方法表征碲化锑薄膜，发现所制备的碲化锑薄膜单晶性能良好。采用微电子加工工艺制备基于该材料的近红外光电探测器。通过半导体测试系统的电学表征发现，利用该扑绝缘体制备的近红外光电探测器具有很高的光电导增益、光响应，分别达到27.4，21.7AW-1。　　2.表面等离子共振技术是采用金属纳米颗粒或者是氧化物纳米颗粒修饰器件的表面，当尺寸满足一定条件的时候，可以增强器件对光的吸收，从而提高器件的性能。本文首先采用化学气相沉积法制备碲化锌纳米线，并用水热法将一部分纳米线修饰金纳米颗粒，将修饰前后的碲化锌纳米线制备成光电导型的绿光探测器。通过光电表征分析发现，修饰前后碲化锌纳米制备而成的光电探测器的性能得到提升，光电流增加了7倍。此外，基于有限元分析法的理论模拟证明表面等离子共振对器件性能具有增强的作用，这与实验相结果相符合。　　本文通过以上两点，证明了拓扑绝缘体在光电探测领域有巨大潜力，同时也证明表面等离子修饰对器件性能提高具有一定的作用。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 光电探测器的研究背景和意义

1．2 光电探测器的分类

1．2．1 紫外光电探测器(UV Photodetector)

1．2．2 可见光探测器(Visible Photodetector)

1．2．3 红外光电探测器(Infrared Photodetector)

1．3 光电探测器的器件结构选择

1．3．1 光电导型光电探测器

1．3．2 PN结型光电探测器

1．3．3 PIN型光电探测器

1．3．4 雪崩光电二极管(APD)

1．3．5 光电晶体管

1．3．6 肖特基结光电探测器

1．4 光电探测的部分参数

1．4．1 光学吸收和暗电流

1．4．2 响应度和信号的响应度

1．4．3 光谱响应和截止波长

1．4．4 量子效率

1．4．5 响应频率与上升下降的时间

1．4．6 探测率和比探测率

1．5 光电探测器的表征方法

1．5．1 四探针测试法

1．5．2 自组装脉冲光系统

1．6 小结

第二章 基于拓扑绝缘体碲化锑的光电导型探测器

2．1 引言

2．2 拓扑绝缘体碲化锑的制备与表征

2．2．1 拓扑绝缘体碲化锑的合成

2．2．2 拓扑绝缘体碲化锑的表征

2．3 基于碲化锑的光电探测器的制备与表征

2．3．1 基于碲化锑的光电探测器的制备

2．3．2 基于碲化锑的光电探测器的表征

2．3．3 基于碲化锑的光电探测器的原理分析

2．4 拓扑绝缘体碲化锑光电探测器小结

第三章 表面等离子共振增强碲化锌光电探测器性能

3．1 引言

3．1．1 表面等离子共振

3．1．2 理论模拟——有限元分析

3．2 AuNPs@ZnTeNWs材料的制备与表征

3．2．1 ZnTeNWs与AuNPs@ZnTeNWs的制备

3．2．2 ZnTeNWs与AuNPs@ZnTeNWs的表征

3．2．3 ZnTeNWs和AuNPs@ZnTeNWs吸收的实验与理论模拟

3．3 基于ZnTeNWs和AuNPs@ZnTeNWs的光电探测器制备与表征

3．3．1 ZnTeNWs和AuNPs@ZnTeNWs光电探测器的制备

3．3．2 ZnTeNWs和AuNPs@ZnTeNWs光电探测器的表征

3．3．3 SPR对器件性能增强的分析

3．4 SPR增强碲化锌光电探测器性能小结

第四章 总结及展望

4．1 本文研究内容与结论

4．2 未来展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况