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基于ZnO竖直纳米棒阵列的光探测器研究

【摘要】:具有特定成分的一维纳米材料被广泛用来提高光探测器性能,同时也可以用来实现器件的微型化。根据光探测器的工作模式,可将其分为两类:光电导探测器和光电二极管。就光电导探测器而言,吸收一个能量大于带隙能量的光子,就可以产生一对电子-空穴对,并以此来改变光敏材料的电导率。一般来说,载流子迁移率高的材料有助于获得高响应度的光电导探测器,因为光生载流子可以在外电路中循环很多次。矛盾地是,由于它的载流子浓度高,必然会导致较大的暗电流以及较小的开关比,从而限制了包括信噪比和灵敏度在内的器件性能的提高。更糟糕的是,这个光电导器件的吸光层和沟道面积是一样的,也就是说,这个器件的吸光层和沟道形成了一个不可分割的整体。因此,通过减小沟道面积去抑制暗电流且保持大的光电流或者是通过增大光吸收层的面积去提高光电流且保持低的暗电流的想法是不可能实现的。我们构筑了一种基于ZnO竖直纳米棒阵列的光导体,它的光吸收层是从器件沟道中分离出来的,在底部,每根纳米棒之间彼此相连形成致密层,在致密层以上的部分,相邻的纳米棒之间存在间隙。光生载流子沿着纳米棒的轴向,通过在底部的纳米棒之间的结点传输到外电路。结果表明,开关比随着ZnO纳米棒的长度和致密层厚度的比值的增加而增加。当ZnO纳米棒的长度是1.9μm,纳米棒长度和致密层厚度的比值是3.8,此时开关比达到最大值790,比基于ZnO水平纳米线的光导体提高了两个数量级。基于ZnO竖直纳米棒阵列的光导体,它的响应度高达1.3×10~5 A/W,开关比达到790,探测能力高达,1.3×10~133 Jones,可探测到的光强度低至1μW/cm~2。更重要的是,把自上而下和自下而上两种方法结合在一起,使得基于垂直ZnO纳米棒阵列的光探测器的产率达到100%,器件与器件之间的性能也比较统一(光电流2–12μA),对于图像传感器来说,我们能把这两方面整合在一起是非常好的。最后,基于垂直ZnO纳米棒阵列的光探测器作为高性能图像传感器,具有高度统一性。

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