中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
二硒化鉑（PtSe?）作為過渡金屬二硫族化合物（TMDs）的成員具有高的載流子遷移率和0-1.2 eV的層間可調(diào)帶隙，其憑借獨特的電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學特性，在短波紅外（SWIR）光探測方面展現(xiàn)出巨大的潛力。二維PtSe?薄膜通常與輕摻雜襯底結(jié)合形成pn異質(zhì)結(jié)，然而在低溫下小管式爐內(nèi)合成的薄膜晶體質(zhì)量較差（多晶態(tài)），且基于pn結(jié)構(gòu)器件的響應(yīng)速度因弱的界面電場、長的載流子渡越時間和嚴重的缺陷復(fù)合而難以進一步的提升。已報道的pn PtSe? 二維（2D）/三維（3D）異質(zhì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時間和帶寬通常分別只有~10-100 μs和~10-80 kHz，這極大地限制了其商業(yè)價值。
閩南師范大學柯少穎教授與中國科學院上海技術(shù)物理研究所王振研究員、云南大學王茺研究員的合作團隊采用熱輔助轉(zhuǎn)換法（TAC）在大管徑石英管式爐內(nèi)（內(nèi)徑9 cm）成功合成高質(zhì)量結(jié)晶取向單一的PtSe?薄膜，并首次制備出了基于PtSe?/n?-Si/n?-Si PIN結(jié)構(gòu)的寬帶高速紅外探測器。相關(guān)研究成果以“High-Speed Broadband PtSe2/Si 2D-3D Pin Photodetector with a Lightly n-Doped Si Interlayer Based on Single-Oriented PtSe2”為題，發(fā)表在ACS Photonics期刊上。
研究人員采用TAC獲得PtSe?薄膜，其中Pt薄膜的硒化是在距離反應(yīng)室底部的特定高度完成行的。圖1展示了在不同硒化高度合成的未完全硒化PtSe?薄膜的拉曼光譜。通過調(diào)控樣品的放置高度、硒化溫度以及載氣流量，最終在上溫區(qū)為350 ℃，下溫區(qū)為560 ℃，氬氣流量為100 sccm，放置高度為16.5 mm的條件下獲得了高質(zhì)量的PtSe?薄膜。在大管徑石英腔體內(nèi)熱場和氣場的共同控制下，被載氣輸運至下溫區(qū)的Se蒸氣濃度較低，有利于硒化過程緩慢進行，并伴隨結(jié)晶過程中成核量的降低，最終合成具有單一取向的PtSe?薄膜。另外，圖1中還顯示了PtSe?薄膜的透射電子顯微鏡（TEM），表現(xiàn)出首先在Pt薄膜上形成硒化物成核點，然后PtSe?從成核點向外生長。
圖1 高質(zhì)量單一取向PtSe?薄膜的表征
為了確認PtSe?的摻雜類型，研究人員將PtSe?轉(zhuǎn)移到SiO?/Si襯底上，制造了通道長度100 nm、寬度500 nm的簡單場效應(yīng)晶體管（FET）。FET的輸出曲線和傳輸曲線顯示了PtSe?的弱p型（如圖2b和圖2c）。圖2a為PtSe?/n?-Si/n?-Si PIN光電探測器的結(jié)構(gòu)，其中n?-Si層用作光吸收層，光生載流子在電場下漂移并形成電流。圖2d為異質(zhì)結(jié)的能帶圖。同時圖2表明該器件具有出色的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。隨后研究人員對PtSe?/n?-Si/n?-Si PIN光電探測器的光電性能進行了測試，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。PtSe?/Si異質(zhì)結(jié)在1100 nm以上波段的光吸收明顯提升，同時由于暗電流低，該器件表現(xiàn)出良好的短波紅外光探測能力。
圖2 PtSe?/n?-Si/n?-Si PIN器件結(jié)構(gòu)及性能表征
圖3 PtSe?/n?-Si/n?-Si PIN器件光電性能測試
相比之下，PtSe?/n?-Si pn光電探測器是通過將PtSe?薄膜直接轉(zhuǎn)移到n?-Si襯底來制備。圖4a繪制了pn和PIN器件的暗電流，具有兩種結(jié)構(gòu)的器件都表現(xiàn)出～10?的高整流比。研究人員還對兩種器件做了深入對比，相關(guān)對比結(jié)果如圖4所示，可以看出，具有PIN結(jié)構(gòu)的光電探測器在紅外探測方面的能力更佳。
圖4 PIN與pn器件光電性能對比
最后，研究人員進一步研究了PtSe?/n?-Si/n?-Si PIN光電探測器的紅外成像能力。圖5a顯示了成像測量示意圖，圖5b至圖5e分別顯示了在1310 nm、1550 nm、1850 nm和2200 nm照明下器件的光電流映射圖像，證明了PIN器件的短波紅外探測能力。
圖5 PIN光電探測器紅外成像結(jié)果
綜上所述，這項研究通過TAC方法在大直徑腔體中制備單取向PtSe?薄膜，并首次制備出了基于PtSe?/n?-Si/n?-Si PIN結(jié)構(gòu)的高速寬帶紅外光電探測器。與傳統(tǒng)的基于2D/3D pn異質(zhì)結(jié)的光電探測器相比，基于PIN結(jié)構(gòu)的器件具有更快的響應(yīng)速度和更顯著的紅外探測能力。由于引入了高質(zhì)量的PtSe?薄膜，該PIN器件可達～125 kHz的3 dB頻率、2.2/11.8 μs的零偏置響應(yīng)速度，該器件高整流比～10?。在532 nm光照、?2 V偏置下，該器件還表現(xiàn)出出色的光電特性，最大響應(yīng)度為53.9 mA W?1，特異性探測率為1.35 × 1011 Jones。此外，由于PtSe?的短波紅外強吸收，在1310 nm、1550 nm、1850 nm和2200 nm波長處表現(xiàn)出明顯的光響應(yīng)，表明該器件在紅外圖像傳感領(lǐng)域的潛力。更重要的是，這項工作中的PIN結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是將特定材料作為吸收層集成到PtSe?/Si異質(zhì)結(jié)中，為構(gòu)建基于2D/3D異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高性能光電探測器和推動與硅基微電子技術(shù)兼容的下一代超快寬帶光電傳感器的開發(fā)提供了指導(dǎo)。
