中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
中紅外光電探測在軍事、環(huán)境監(jiān)測、天文等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。然而，使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料如II-IV的碲鎘汞（HgCdTe）和III-V的超晶格受到低溫制冷、體積大、功耗高、制造過程復(fù)雜和與互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)兼容性差的限制。二維（2D）范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)被認為是實現(xiàn)高性能室溫中紅外光電探測器的有前途的材料，但同時實現(xiàn)高靈敏度、快速響應(yīng)速度和超寬帶中紅外光電探測仍然是一個挑戰(zhàn)。
近日，由東南大學(xué)、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（簡稱：中國科學(xué)院上海技物所）、南方科技大學(xué)、南京郵電大學(xué)和南京師范大學(xué)組成的科研團隊提出了一種在室溫下操作的、高性能的、小型化的、低功耗且與CMOS兼容的中紅外光電探測器。這種探測器利用垂直傳輸通道的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了與商用HgCdTe制冷光電探測器相當甚至更優(yōu)的探測性和響應(yīng)速度。該探測器的中紅外探測性達到2.38 × 1011 cm·√Hz·W?1，快速響應(yīng)時間為10.4 ns，并且具有從紫外到中紅外波段的超寬帶探測范圍。這項研究以“High-sensitivity, high-speed, broadband mid-infrared photodetector enabled by a van der Waals heterostructure with a vertical transport channel”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。
圖1a展示了垂直光電探測器的設(shè)計理念，圖1b展示了光生過剩電荷載流子濃度的穩(wěn)態(tài)空間分布。該垂直光電探測器的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：（i）垂直傳輸通道，(ii) 石墨烯電極，(iii) BP/MoS?異質(zhì)結(jié)，(iv) 金電極。垂直設(shè)計可同時優(yōu)化響應(yīng)速度、外部量子效率、噪聲電流和探測范圍，從而提高光電探測器的整體性能。圖2a和圖2b顯示了Gr/BP/MoS?/Gr垂直通道光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖和光學(xué)圖像，圖2c至圖2f展示了該垂直通道光電探測器的光電特性。
圖1 具有垂直和橫向傳輸通道的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的光生電荷載流子傳輸
圖2 垂直通道光電探測器的光電特性
為了闡明垂直通道相對于橫向通道的優(yōu)越性，研究人員對二者的性能指標進行了比較分析，包括外部量子效率（EQE）、響應(yīng)度（R）、比探測率（D*）、噪聲等效功率（NEP）和響應(yīng)速度。
圖3 具有垂直和橫向傳輸通道的光電探測器的室溫性能比較
為了直接了解溝道長度對器件光電轉(zhuǎn)換過程的影響，研究人員在單個BP/MoS?異質(zhì)結(jié)上制備了六對電極。圖4展示了溝道長度對橫向溝道器件光響應(yīng)特性的影響。
圖4 溝道長度對橫向溝道器件光響應(yīng)特性的影響
最后，研究人員將該垂直光電探測器與其他室溫中波紅外光電探測器的性能做了比較，結(jié)果如圖5所示。
圖5 垂直通道光電探測器與其他已報道光電探測器的室溫性能比較
綜上所述，這項研究通過實現(xiàn)垂直傳輸通道的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以在單一光電探測器中同時實現(xiàn)高靈敏度、高速度和超寬帶中紅外探測。這種Gr/BP/MoS?/Gr垂直光電探測器在中紅外波段的探測性接近理論極限，響應(yīng)速度達到10.4 ns，并且具有從紫外波段到中紅外波段的超寬帶探測范圍。該探測器的整體室溫性能可與商用制冷中紅外HgCdTe光電探測器相媲美甚至更優(yōu)。
