【摘 要】
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纳米结构光电探测器具有光学灵敏度高、响应速度快、光电转换效率高等优点,被广泛应用于光学成像和传感、环境监测、化学/生物传感和火箭羽流探测等领域。作为典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,GaAs纳米线（NWs）具有直接带隙（1.42 eV）和高电子迁移率,是制造室温高速红外光电探测器的潜在材料。但是,由于GaAs NWs具有高的表面态密度,表面态会产生表面电流从而导致探测器暗电流的增加。此外,高表面态密
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纳米结构光电探测器具有光学灵敏度高、响应速度快、光电转换效率高等优点,被广泛应用于光学成像和传感、环境监测、化学/生物传感和火箭羽流探测等领域。作为典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,GaAs纳米线（NWs）具有直接带隙（1.42 eV）和高电子迁移率,是制造室温高速红外光电探测器的潜在材料。但是,由于GaAs NWs具有高的表面态密度,表面态会产生表面电流从而导致探测器暗电流的增加。此外,高表面态密度也会增加光生载流子的复合速率从而导致探测器光电流降低,这明显不利于高性能GaAs基NWs光电探测器的制备。本论文旨在降低单根GaAs NW光电探测器的暗电流,提高其光电流,以实现高性能单根GaAs基NW光电探测器,论文的主要研究内容如下:（1）硫钝化对GaAs NW光电探测器性能的影响及其原理分析。NWs光电探测器具有响应速度快、光电转换效率高等优点,可广泛应用于各个行业。但是,NWs丰富的表面态会导致较大的暗电流,阻碍高性能单根NW光电探测器的发展。本部分工作研究了硫表面钝化对单根GaAs NW光电探测器暗电流的影响并对机理进行了分析。表面钝化后,单根GaAs NW光电探测器的暗电流显著降低了约30倍。我们确认暗电流减少的根源在于表面态密度的降低。通过硫钝化处理,实现了具有7.18×10-2 pA的低暗电流和9.04×1012 cm·Hz0.5·W-1的高比探测率的单根GaAs NW光电探测器。（2）掺杂对GaAs NW光电探测器性能的影响及其原理分析。金属-半导体-金属（MSM）结构的GaAs基NWs光电探测器已被广泛报道,基于MSM结构的光电探测器有望成为高性能器件的候选材料,这是因为MSM结构中的肖特基内建电场可以实现光响应度的增强。因此,提高内建电场强度是提高光电探测器探测能力的有效途径。在本部分工作中,我们通过掺杂调节GaAs NWs的费米能级位置来增强探测器的内建电场强度,从而制备出具有优异性能的单根GaAs NW MSM光电探测器,其响应度可达1175 A/W,比未掺杂样品的响应度高两个数量级。空间扫描光电流映射和模拟确认了响应度的提高是由于空穴肖特基内建电场强度的增加所引起的,即增强的内建电场可以更有效地分离和收集光生载流子。（3）GaAs基NW APD的制备及性能分析。NW雪崩光电二极管（APD）由于其优越的增益和探测效率而在单光子检测领域具有潜在的应用。尽管在过去几年中研究者已经做出了许多努力,但是NW APD的性能仍然受到限制。在这部分研究工作中,我们通过将势垒层插入吸收区和倍增区的界面之间,势垒层作为空穴阱有效增强了倍增区的电场强度,从而制备出一种高性能分离吸收倍增区雪崩光电二极管（SAM-APD）。在-18 V电压、940 nm光照下器件具有3.35×103 A/W的高响应度和104的倍增因子,同时,器件的比探测率高达2.51×1012cm·Hz0.5·W-1,与商用InGaAs APD(1012 cm·Hz0.5·W-1)相当。详细的实验结果和理论模拟证实了插入层在APD中的作用。此外,由于NW具有大的比表面积,此SAM-APD器件具有低噪声电流,且1/f噪声占主导地位。（4）高响应度自供电GaAs NW-WSe2异质结光电探测器。集成混合维（MD）范德华（vdWs）异质结以实现自供电光电探测器引起了广泛关注。MD-vdWs异质结的界面特性（半导体-金属界面特性和半导体-半导体界面特性）严重影响探测器的性能指标。迄今为止,如何平衡半导体-金属界面和半导体-半导体界面的界面特性仍有待探索。在本部分研究工作中,我们提出通过栅压调节双极型二维材料的费米能级位置,从而有效平衡MD-vdWs异质结光电探测器的界面特性。此外,通过具有不同金属接触电极的GaAs-WSe2 MD vdWs异质结自供电光电探测器验证了栅极调控界面特性的有效性。在Au/Cr电极的GaAs-WSe2异质结光电探测器中,通过栅压调控,其响应度从1.23×102 mA/W提高到5.11×102 mA/W,高于先前报道的GaAs基自供电光电探测器。本论文的研究内容对实现高性能GaAs基NWs及其他低维材料光电探测器,推动其实际应用具有重要的指导意义。
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