二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)研究進(jìn)展

邴 單，李金煥

(南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，江蘇 南京 211134)

1 引言

半導(dǎo)體光電探測(cè)器是利用半導(dǎo)體材料內(nèi)的光電效應(yīng)來接收和探測(cè)光信號(hào)的器件，由于其在現(xiàn)代精密分析、測(cè)量和診斷儀器中是必不可少的部件，被稱為光電器件系統(tǒng)的心臟。然而，常規(guī)的半導(dǎo)體光電探測(cè)器通常存在響應(yīng)度低、探測(cè)波段窄、響應(yīng)時(shí)間慢、分辨力不高、探測(cè)靈敏度低、工作環(huán)境要求高等單個(gè)或多個(gè)問題。所以，實(shí)際應(yīng)用中，迫切的需要一種既能實(shí)現(xiàn)寬波段響應(yīng)，又具備較高的響應(yīng)度及響應(yīng)速度，且能在常溫下工作的紅外光探測(cè)器件。

自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)后，二維材料的家族成員不斷壯大，MoS2等二維硫?qū)倩衔?，BN,phosphorene,silicone,germanene等的出現(xiàn)使得二維材料也愈發(fā)多元化，其潛在的應(yīng)用價(jià)值也不斷被國(guó)內(nèi)外科學(xué)家們所發(fā)掘。隨著二維材料在光電探測(cè)器、激光器、發(fā)光二極管、太陽能電池等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)也逐漸成為光電子領(lǐng)域的新起之秀，其內(nèi)在特殊的物理現(xiàn)象也成為目前國(guó)際上科學(xué)研究的熱點(diǎn)。二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)是指兩種或多種不同的二維材料緊密堆積構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，以及由二維材料與其他納米材料或結(jié)構(gòu)緊密接觸所構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。由于構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的兩種或多種材料具有不同的帶隙、電學(xué)特性、摻雜類型、光學(xué)吸收及發(fā)光、介電常數(shù)、功函數(shù)等，異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠表現(xiàn)出不同于單一材料的性能，以異質(zhì)結(jié)構(gòu)為主體的電子或光電子器件的性能也往往比單一材料制備的同類器件更加優(yōu)越。二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器由多種具有不同物理特性的二維材料或非二維材料接觸所構(gòu)成，表現(xiàn)出了優(yōu)于單一半導(dǎo)體材料所構(gòu)成的同類器件的性能，近年來在器件的設(shè)計(jì)、開發(fā)和性能改善方面都獲得了極大的發(fā)展。

2 二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)

二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)集成了多種材料的優(yōu)點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，克服單一材料的缺陷，甚至?xí)捎诓牧祥g獨(dú)特的耦合機(jī)制而發(fā)揮出原有材料所不具備的新穎特性，有望能在光探測(cè)領(lǐng)域獲得較大的突破，以滿足以上所提出的實(shí)際應(yīng)用需求。

2.1 二維材料光電探測(cè)

自從石墨烯在2004 年發(fā)現(xiàn)以來，二維材料種類不斷增多，對(duì)二維材料的研究也不斷深入，這些新穎的二維材料為高性能光電器件的設(shè)計(jì)和制備提供了新的機(jī)遇，特別在光電探測(cè)器方面[1]。但是這些新型的二維材料在彌補(bǔ)傳統(tǒng)光電探測(cè)器缺點(diǎn)的同時(shí)也可能會(huì)帶來新的不足。例如，石墨烯具備極高的載流子遷移率、非常好的低維熱學(xué)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、超寬的光譜吸收范圍，以及電子濃度的電場(chǎng)可調(diào)制性，被認(rèn)為是極具潛力的電子或光電子材料，基于石墨烯的光電探測(cè)器的研究已成為科技前沿[2]。但是石墨烯的零帶隙結(jié)構(gòu)使得其光學(xué)吸收不強(qiáng)、電子空穴對(duì)極易復(fù)合，導(dǎo)致器件響應(yīng)度不高(<6 mA/W)?？茖W(xué)家們紛紛將焦點(diǎn)聚集在二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)[3-4]，因?yàn)槠洳粌H能保留單一或多種二維材料的優(yōu)越性能，而且由于材料之間獨(dú)特的耦合機(jī)制可能會(huì)產(chǎn)生新穎的光電特性。

2.2 二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)

不同的二維材料性質(zhì)各異，將他們有效的復(fù)合可發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，起到互補(bǔ)的作用。例如石墨烯+MoS2異質(zhì)結(jié)充分發(fā)揮了石墨烯的高遷移率以及MoS2良好的光學(xué)吸收特性，在低溫下響應(yīng)度可達(dá)1×1010A/W。除了讓MoS2作為石墨烯探測(cè)器的吸收層，還可以利用材料功函數(shù)的差異制備P-N結(jié)，所形成的勢(shì)壘能有效的將光致電子空穴對(duì)分離，使得器件性能得到極大的改善。常規(guī)的水平結(jié)構(gòu)P-N結(jié)雖然可有效分離電子空穴對(duì)，但是結(jié)區(qū)有效作用面積小，Chang Oh Kim等人通過疊加極性不同的兩層石墨烯獲得了原子層厚度的垂直P-N結(jié)，極大的增加了結(jié)區(qū)面積，獲得了高達(dá)1A/W的響應(yīng)度，探測(cè)能力也達(dá)到了1012cmHz1/2W-1。Chul-Ho Lee等人則選擇兩種摻雜類型不同的二維材料(p型的WSe2和n型的MoS2)制備成垂直P-N 結(jié)并獲得了優(yōu)異的光電探測(cè)性能，如圖1所示[5]。這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件無需外加偏壓即可工作，大大降低了器件的功耗并提升了探測(cè)率。

基于垂直方向的電子輸運(yùn)，在兩層石墨烯中間插入一層材料作為分離層所形成的這類異質(zhì)結(jié)也能極大的提高石墨烯探測(cè)器的性能。如圖2所示，在兩層石墨烯中分別插入MoS2,WS2等光學(xué)功能二維材料,利用石墨烯費(fèi)米面簡(jiǎn)單可調(diào)的特性使其作為可調(diào)諧電極，有效的分離中間TDMS材料所產(chǎn)生的光致電子空穴對(duì)，進(jìn)而提高器件的響應(yīng)度和量子效率[6]。除了在石墨烯中間插入吸光材料，也可在其間插入介質(zhì)層，Chang-Hua Liu等人在兩層石墨烯中插入Ta2O5等材料作為隧穿層阻擋電子空穴對(duì)的復(fù)合，在中紅外的響應(yīng)度達(dá)1A/W，有效改善了石墨烯響應(yīng)低的問題，更重要的是其探測(cè)范圍從可見光到中紅外波段(且具備高速響應(yīng))，展示了石墨烯在更寬波段的應(yīng)用前景。

圖1 MoS2-WSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)

圖2 石墨烯和MoS2、WS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖

異質(zhì)結(jié)探測(cè)器主要是用兩種不同性質(zhì)的材料構(gòu)建器件以彌補(bǔ)單一材料光電特性的不足，必要時(shí)，也可復(fù)合三種或更多材料來更好的改善器件的性能。 Gwan-Hyoung Lee等人在柔性襯底上以石墨烯為底柵，BN為介質(zhì)層，制備了MoS2場(chǎng)效應(yīng)管，不僅提升了MoS2的遷移率(達(dá)45 cm2/Vs)，也在1.5%應(yīng)力作用下測(cè)試獲得了穩(wěn)定的性能。這預(yù)示了異質(zhì)結(jié)在柔性器件領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景。

2.3 二維材料與其他材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)

石墨烯與傳統(tǒng)光電材料硅的復(fù)合，對(duì)光電探測(cè)器的性能也有很大的改善，Xiaohong An等人將石墨烯疊加在n型摻雜硅上構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，該探測(cè)器響應(yīng)度約435mA/W，器件開關(guān)比達(dá)104，其光電轉(zhuǎn)換效率>65%，而且工作波長(zhǎng)從可見延伸到近紅外。Xuetao Gan及Xiaomu Wang等人將石墨烯與光學(xué)硅波導(dǎo)集成得到的異質(zhì)結(jié)構(gòu)在中紅外(～2.75μm)的響應(yīng)度達(dá)～0.1A/W，并獲得超過20GHz的高速響應(yīng)[7],如圖3所示，這也展示了石墨烯與目前的硅半導(dǎo)體工藝的高兼容性。

圖3 石墨烯硅波導(dǎo)集成光探測(cè)器

另一種提高光吸收的途徑就是利用表面等離激元效應(yīng)。Yuan Liu等人在石墨烯上耦合一層金等離激元納米結(jié)構(gòu)，使得器件的響應(yīng)度提高了15倍。另外也可在石墨烯上復(fù)合半導(dǎo)體量子點(diǎn)，利用量子點(diǎn)對(duì)光的高效吸收增加探測(cè)器的響應(yīng)度。Gerasimos Konstantatos課題組通過在石墨烯上復(fù)合PbS量子點(diǎn)，使探測(cè)器響應(yīng)高達(dá)107A/W。在紫外光響應(yīng)方面，Haixin Chang等人利用石墨烯和ZnO納米棒的異質(zhì)結(jié)構(gòu)首次制備了高靈敏紫外光電傳感器，其紫外光響應(yīng)度達(dá)22.7A/W。

盡管目前的很多研究已經(jīng)有效提升了二維材料光探測(cè)器性能，但是仍然存在不少挑戰(zhàn)，如不能同時(shí)兼具快速、寬波長(zhǎng)響應(yīng)及高靈敏度等特點(diǎn)。從當(dāng)前研究現(xiàn)狀來看，尋找新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、設(shè)計(jì)新原理器件將是解決以上問題的有效手段。

3 總結(jié)

本文主要針對(duì)二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)在光電探測(cè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了討論。二維材料在光電探測(cè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，將其制備成異質(zhì)結(jié)構(gòu)或與其他傳統(tǒng)材料相結(jié)合，更能發(fā)揮出優(yōu)異的性能。然而，在該領(lǐng)域還存在著如下的問題，有待進(jìn)一步解決。(1)尋找合適的異質(zhì)結(jié)材料： 不同的二維材料具有截然不同的電子能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)，通過計(jì)算模擬等手段在眾多的二維材料中挑選出結(jié)構(gòu)匹配、功能互補(bǔ)的兩者或多者進(jìn)行結(jié)合是本項(xiàng)目首先需要面對(duì)的關(guān)鍵問題。(2)如何生長(zhǎng)出大尺寸的異質(zhì)結(jié)材料：在選擇合適的異質(zhì)結(jié)材料后，如何通過性能可靠的薄膜生長(zhǎng)方法逐層的在特定襯底上生長(zhǎng)大尺寸、高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)以滿足工業(yè)化探測(cè)器的應(yīng)用需求，是本項(xiàng)目所要解決的第二個(gè)關(guān)鍵問題。(3)異質(zhì)結(jié)的耦合機(jī)制是什么：異質(zhì)結(jié)中不同二維材料的界面處必然存在著一定的相互作用。理解異質(zhì)結(jié)材料間的耦合相互作用機(jī)制對(duì)于提升異質(zhì)結(jié)光探測(cè)器件的性能以及設(shè)計(jì)新原理光探測(cè)器件至關(guān)重要。(4)如何通過工藝的優(yōu)化和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提升其光探測(cè)性能：器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在原理上決定了其光探測(cè)器性能。另外，由于制備器件是一個(gè)復(fù)雜的過程，它會(huì)經(jīng)歷不同的環(huán)境，與不同的物質(zhì)接觸，每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)影響器件的最終探測(cè)性能，所以器件工藝優(yōu)化是其良好性能的保障。