微納電子系任天令教授團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦光電探測(cè)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

清華新聞網(wǎng)2月15日電 近日，微納電子系任天令教授團(tuán)隊(duì)在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》（ACS Nano）上發(fā)表了一篇題為“硅晶圓集成的單晶鈣鈦礦超快光電探測(cè)器”（Ultrafast Photodetector by Integrating Perovskite Directly on Silicon Wafer）的研究論文。該工作實(shí)現(xiàn)了單晶鈣鈦礦在半導(dǎo)體硅晶圓上的直接集成，并在此基礎(chǔ)上研制出了超快的光電探測(cè)器。此項(xiàng)工作對(duì)構(gòu)建基于鈣鈦礦的新一代高速集成光電子器件具有重大意義。

有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦作為一種新型的半導(dǎo)體光電材料，具有較長(zhǎng)的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度、較高的載流子遷移率以及優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化效率，在光電探測(cè)、能源器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而受限于鈣鈦礦固有的光學(xué)帶隙和材料結(jié)構(gòu)，使得鈣鈦礦在硅基集成、寬光譜檢測(cè)以及高速探測(cè)方面仍面臨著很大的挑戰(zhàn)。

硅晶圓集成的單晶鈣鈦礦承重測(cè)試以及鈣鈦礦和硅界面處的TEM照片

在該論文研究中，團(tuán)隊(duì)充分結(jié)合了單晶硅和鈣鈦礦材料各自的優(yōu)勢(shì)，采用優(yōu)化的反溶劑方法實(shí)現(xiàn)在硅晶圓襯底上單晶CH3NH3PbBr3鈣鈦礦的直接生長(zhǎng)，顯著改善了兩種材料異質(zhì)結(jié)之間的界面特性。使用該鈣鈦礦/硅晶圓異質(zhì)結(jié)研制出的光電探測(cè)器不僅將傳統(tǒng)鈣鈦礦器件的可探測(cè)波長(zhǎng)范圍（<800 nm）拓寬到近紅外區(qū)域（1064 nm），而且該探測(cè)器具有較好的成像功能。相比于目前商用的鍺基光電探測(cè)器，該探測(cè)器展現(xiàn)了更快的響應(yīng)時(shí)間（520 ns）。本工作有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)單晶鈣鈦礦在多晶硅薄膜晶體管（TFT）背板上的直接生長(zhǎng)集成，以制備更加穩(wěn)定高效的光電探測(cè)器，從而推動(dòng)集成鈣鈦礦基光電子技術(shù)的發(fā)展。

硅基集成的單晶鈣鈦礦光電探測(cè)器示意圖以及優(yōu)異的光電特性

近年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)在新型微納電子器件的基礎(chǔ)研究和實(shí)用化應(yīng)用的探索方面實(shí)現(xiàn)了一系列重大突破和多項(xiàng)創(chuàng)新成果。例如：鈣鈦礦光突觸器件、集成鈣鈦礦的高速光電探測(cè)器件以及鈣鈦礦X射線(xiàn)探測(cè)器件、柔性石墨烯收發(fā)聲器件、新型石墨烯阻變存儲(chǔ)器、光譜可調(diào)的石墨烯發(fā)光器件、石墨烯仿生突觸器件、可調(diào)石墨烯應(yīng)力傳感器、仿生石墨烯壓力傳感器以及極低功耗石墨烯鈣鈦礦阻變存儲(chǔ)器等。相關(guān)成果多次發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications)、《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)、《納米快報(bào)》(Nano Letters)、《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)納米》(ACS Nano)、微電子領(lǐng)域的頂級(jí)期刊《電子器件快報(bào)》(IEEE Electron Device Letters）和會(huì)議國(guó)際電子器件大會(huì)(IEDM)等。

清華大學(xué)微電子所博士生耿祥順、碩士生王方偉等為文章共同第一作者，清華大學(xué)微納電子系任天令教授等為論文共同通訊作者，該研究成果得到了國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目和科技部項(xiàng)目的支持。

論文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06345

供稿：微納電子系

編輯：曲田

審核：戚天雷