二維材料異質(zhì)結(jié)高靈敏度紅外探測器

張金月，呂俊鵬，倪振華

（東南大學(xué) 物理學(xué)院，江蘇 南京 211100）

1 引 言

紅外探測器在光纖通信、夜視成像、激光雷達、激光測距、熒光顯微等領(lǐng)域有重要應(yīng)用[1-4]。近年來，這些領(lǐng)域發(fā)展迅速，對紅外探測器的響應(yīng)度、響應(yīng)時間、靈敏度等各種性能提出了越來越嚴苛的要求。靈敏度是光電探測器最重要的性能指標之一，一般用它來評估探測器捕獲弱信號的靈敏度。靈敏度越高，探測器的弱光探測性能越好。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體，例如InGaAs、HgCdTe、VOx、α-Si 等可實現(xiàn)近紅外（NIR）到長波紅外（LIR）區(qū)域的光探測[5-8]，然而一些問題制約了傳統(tǒng)紅外探測器在高靈敏度紅外探測領(lǐng)域的應(yīng)用。比如，高質(zhì)量InGaAs 薄膜的外延生長缺少合適的襯底與其匹配，目前采用InP 襯底，然而材料之間仍存在著許多位錯[9]；以VOx、α-Si 探測器為代表的輻射熱探測器，光響應(yīng)慢，比探測率低，探測靈敏度差[10]；以HgCdTe 探測器為代表的制冷型探測器，由于需要在低溫下工作，才能抑制其暗電流噪聲，表現(xiàn)出較高的探測靈敏度（1010～1011Jones）[11]，故這類紅外探測器需要配有大型制冷設(shè)備，難以實現(xiàn)低成本、小型化、靈活性和便攜性。

具有原子層厚度的二維材料由于具有良好的光學(xué)、電學(xué)和機械性能，近來受到了廣泛研究[12-18]。相比于傳統(tǒng)的三維半導(dǎo)體，二維材料具有以下優(yōu)點：二維材料具有自然鈍化的表面，表面上沒有懸空鍵，這使得晶格不匹配的材料可以相互堆疊，形成范德華異質(zhì)結(jié)[13]；二維材料，如黑磷、黑砷磷、石墨烯等，由于本征帶隙很小甚至為零，可以實現(xiàn)廣譜光響應(yīng)，響應(yīng)范圍可至中紅外甚至太赫茲波段[19-20]；多種二維材料的帶隙具有厚度依賴性，通過改變二維材料的厚度，可以改變其帶隙，從而調(diào)節(jié)材料的探測范圍[21-23]；半導(dǎo)體性二維材料中的載流子數(shù)目相對較少，這可以將暗電流抑制到一個相對較低的水平，因此基于二維材料的高靈敏紅外探測器有可能實現(xiàn)室溫工作[24]；此外，由于二維材料具有厚度小、透明性好、機械強度高、柔韌性好等優(yōu)點，使得基于二維材料的紅外探測器有機會實現(xiàn)小型化、靈活性、便攜性。石墨烯是目前研究最廣泛的2D 材料，它具有半金屬、高遷移率、廣譜響應(yīng)、柔性和可調(diào)節(jié)的費米能級等特性[25-26]，因而可以基于石墨烯制備具有廣譜吸收和超快響應(yīng)的柔性紅外探測器[27-28]。盡管石墨烯具有出色和獨特的性能，可應(yīng)用到紅外探測領(lǐng)域，然而仍存在著一些問題：零帶隙的石墨烯因為自由載流子的存在導(dǎo)致暗電流過高；弱光吸收以及同樣因為零帶隙引起的光生載流子的高復(fù)合率會導(dǎo)致其光響應(yīng)度過低。低光響應(yīng)度和高暗電流使石墨烯紅外探測器難以具有高靈敏度。因此，研究者把目標轉(zhuǎn)向了其它二維材料，如過渡金屬硫化物、黑磷等。過渡金屬硫化物MX2（M 為過渡金屬原子，包括X：S，Se，Te）具有強的光與物質(zhì)相互作用且能帶結(jié)構(gòu)具有層數(shù)（厚度）依賴性[21-22]。黑磷具有直接帶隙且?guī)洞笮‰S層數(shù)變化可在0.3～2eV 內(nèi)調(diào)節(jié)，因而，吸收光譜可覆蓋近紅外至中紅外波段[23]，然而，黑磷在空氣中穩(wěn)定性差，使其難以實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。過渡金屬硫化物的載流子遷移率過低，并且由于帶隙的限制，使其探測范圍局限在可見至近紅外波段。

綜上所述，基于單一種類二維材料很難實現(xiàn)高靈敏的紅外探測。二維材料的結(jié)構(gòu)特性為解決單一二維材料的缺點提供了可行方案。由于二維材料具有原子級厚度，層與層之間由范德華相互作用連接，此類范德華相互作用不僅局限于單一材料層與層之間，任何鈍化的、無懸掛鍵的表面同另一表面間也可以通過范德華力相連接，因此，任一二維材料都可以靈活地與其他材料通過范德華相互作用形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)[13]。本文將含有二維材料的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為二維異質(zhì)結(jié)。二維異質(zhì)結(jié)具有原子級厚度以及無懸掛鍵的高質(zhì)量表/界面，使得光生載流子的產(chǎn)生及運輸更加可控。例如，type-II 型二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)間的內(nèi)建電場可使光生電子-空穴對在界面處有效分離，這在一定程度上延長了載流子的壽命，有利于光增益和光響應(yīng)度的提升；內(nèi)建電場的存在可以有效抑制擴散電流，從而降低暗電流，減小噪聲功率。此外，二維異質(zhì)結(jié)可以將不同材料的優(yōu)勢相結(jié)合。例如，將石墨烯與PbS 量子點相結(jié)合，由于PbS 量子點在近紅外范圍內(nèi)具有高吸收率，可以提高石墨烯/PbS 量子點異質(zhì)結(jié)構(gòu)的近紅外吸收[29-30]，進而提升外量子效率，增強器件的光響應(yīng)度。總之，二維異質(zhì)結(jié)的諸多優(yōu)點使得近年來基于二維異質(zhì)結(jié)的高靈敏紅外探測器發(fā)展迅速。本文討論了影響光電探測器靈敏度的主要因素，歸納了提高紅外探測器靈敏度的主要策略，回顧了近幾年研究者如何基于二維異質(zhì)結(jié)實現(xiàn)具有高靈敏度的紅外探測器，分析了靈敏度提升原理，總結(jié)了器件的主要性能指標，最后指出了進一步提升紅外探測靈敏度所面臨的挑戰(zhàn)，從大面積二維異質(zhì)結(jié)制備、異質(zhì)結(jié)界面優(yōu)化利用等方面展望了未來如何獲得綜合性能良好的高靈敏度紅外探測器以及實現(xiàn)探測器商業(yè)應(yīng)用。

2 光電探測器的性能指標

2.1 光響應(yīng)度

光響應(yīng)度描述的是光電器件的光電轉(zhuǎn)換能力，其定義為光電探測器的輸出信號與入射光功率的比值，輸出信號為光電流或光電壓。因此，光響應(yīng)度包括電流響應(yīng)度和電壓響應(yīng)度，表達式分別為[31]

其中，P 為入射光功率， IP、 VP分別是在該入射光功率下，光電器件產(chǎn)生的光電流和光電壓。光響應(yīng)度具有波長依賴性，這是由于半導(dǎo)體材料本征能隙影響和光吸收的波長依賴性所導(dǎo)致的。

2.2 噪聲等效功率

噪聲等效功率是指光電探測器可以從總噪聲(外部誘導(dǎo)、內(nèi)部產(chǎn)生等)中檢測或區(qū)分的最小光信號功率，它表征探測器對微弱信號的探測能力。噪聲等效功率的定義是信噪比（信噪比是指光電探測器的光電流與噪聲電流的比值）為1 時所需的入射輻射功率，表達式可寫為[31]

由于噪聲功率與帶寬的根號成正比，因此規(guī)定NEP 為1 Hz 帶寬條件下的測量結(jié)果，IN為1 Hz帶寬的噪聲電流頻譜，單位為A·Hz?1/2。因此NEP的單位為W·Hz?1/2。

2.3 探測率和比檢測率

光電器件的噪聲等效功率NEP 越小，其能檢測到的光信號就越弱，即光電器件的弱光探測能力越強。但參數(shù)NEP 不符合人們的傳統(tǒng)認知習(xí)慣。因此，定義NEP 的倒數(shù)為光電器件的探測率，作為衡量光電器件探測能力的一個重要指標。探測率用公式表示為[31]

D 的單位是W?1。它描述的是器件在單位輸入光功率下輸出的信噪比，顯然D 值大，光電器件的性能越好。

為了更好地對不同探測器的探測率進行比較，應(yīng)排除帶寬、形狀、器件面積的影響。因此對探測率D 歸一化得到歸一化探測率D*。歸一化探測率也稱為比檢測率，是光電探測器最重要的性能指標之一，一般用它來評估探測器捕獲弱信號的靈敏度[24,32]。比探測率越大，探測器的弱光探測性能越好，其定義式為[31]

其中，A 是器件的有效面積，B 是帶寬。由該定義可知，要獲得高靈敏度，需要器件具有低噪聲功率、高響應(yīng)度。D*的單位為cm·Hz1/2·W?1(Jones)，即當探測器響應(yīng)元面積為1 cm2，放大器帶寬為1 Hz 時，單位功率所能給出的信噪比。比探測率代表探測器捕獲弱信號的靈敏度，是探測器最重要的性能指標之一。這個數(shù)值越大，探測器弱光探測性能越好。

2.4 光電導(dǎo)增益

光電導(dǎo)增益定義為在長度為L 的器件兩端加上電壓后，電場對光生載流子加速形成的外部電流與光電子形成的內(nèi)部電流之比，可以表示為[31]

其中，q 為光電子的電荷量， NI為光電子數(shù)目，ηtran表示器件電子轉(zhuǎn)移效率[29]。

光電導(dǎo)增益也可以表示為[31]

載流子的長壽命（τlife）和短漂移通過時間（τtran）使得光生電子或空穴可以在通道中循環(huán)多次并導(dǎo)致光電導(dǎo)增益。漂移時間取決于施加偏壓（Vbias）、載流子遷移率（μ）和通道長度（L），可以表達為[33]

2.5 量子效率

量子效率包括外量子效率（EQE）與內(nèi)量子效率（IQE）。外量子效率是單位時間內(nèi)器件產(chǎn)生的載流子數(shù)量NI與照射器件的光子數(shù)NP的比值。它表示單位時間內(nèi)每入射一個光子所能產(chǎn)生的載流子數(shù)。對光電導(dǎo)增益為1 的光電器件來說，如光伏模式下的光電二極管，外量子效率的表達式如下[34-35]

其中 h是普朗克常數(shù)，c 是光速，e 是電子電荷，λ 是入射光的波長， ν是光子的頻率，G 是光電導(dǎo)增益。

當光照射樣品時，只有一部分光子被吸收了，吸收的光子數(shù)量用 NA=NPηA表示，其中 ηA是光吸收效率。內(nèi)量子效率（IQE）表示單位時間內(nèi)每吸收一個光子所能產(chǎn)生的載流子數(shù)。因此，IQE的表達式為[31]

2.6 響應(yīng)時間和截止頻率

響應(yīng)時間是光電探測器的重要參數(shù)之一，反映了光電探測器的響應(yīng)速度。它包括上升時間τr和下降時間τf，通常定義為從凈光電流的10%至90%以及90%至10%的測量時間，即光電探測器由“關(guān)”轉(zhuǎn)換到“開”或由“開”轉(zhuǎn)換到“關(guān)”所需要的時間。

當入射光頻率改變時，光電探測器的響應(yīng)度可表示為[24]

其中，R0為靜態(tài)光照下的光響應(yīng)度。當R(f)下降到0.707R0(即下降3 dB)時的頻率定義為光電探測器的截止頻率fc。

3 高靈敏度光電探測的實現(xiàn)方法

3.1 光電探測的主要機制

光電探測器的工作原理是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光電探測的物理機制主要分為兩大類：一類是因光照而引起的物體電學(xué)特性的改變，統(tǒng)稱為光電效應(yīng)；另一類是由于入射光輻射的加熱作用所引起的物體電學(xué)特性的改變，統(tǒng)稱為熱電效應(yīng)。光電效應(yīng)主要包括光伏效應(yīng)和光電導(dǎo)效應(yīng)；熱電效應(yīng)主要包括光熱電效應(yīng)和輻射熱效應(yīng)。

3.1.1 光電效應(yīng)

（1）光伏效應(yīng)

半導(dǎo)體材料吸收光子能量并產(chǎn)生光生電子-空穴對，在內(nèi)部電場（同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基勢壘結(jié)）的作用下，電子/空穴會發(fā)生定向移動，從而在半導(dǎo)體材料中形成光生電勢差，這種現(xiàn)象被稱為光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)可用于實現(xiàn)光電池、光電二極管/三極管、位置傳感器等。基于光伏效應(yīng)的二維材料光電晶體管可以充分利用材料的高載流子遷移率和高費米速度特性，因此基于光伏效應(yīng)的二維材料光電器件具有出色的高頻響應(yīng)特性，主要用于光通信、光調(diào)制器和其他超快速光檢測。

（2）光電導(dǎo)效應(yīng)

當半導(dǎo)體材料受光照射時，由于對光子的吸收引起載流子濃度的變化，導(dǎo)致材料電導(dǎo)率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。當光子能量大于材料的禁帶寬度時，將價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶形成自由電子，這樣，在價帶中留下自由空穴，從而引起材料電導(dǎo)率的變化，稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。雜質(zhì)半導(dǎo)體中，被束縛在雜質(zhì)能級上未被激發(fā)的載流子吸收光子能量后，使電子從施主能級躍遷到導(dǎo)帶或從價帶躍遷到受主能級，從而產(chǎn)生光生自由電子或空穴，引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象則稱為雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是一種基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件。

Photogating 效應(yīng)是光電導(dǎo)效應(yīng)的一個特殊例子，在半導(dǎo)體材料的表面或缺陷處可能會存在一些局域態(tài)[36]，如果電子或空穴被局域態(tài)束縛，這就像在局部施加了門電壓，可以有效調(diào)控材料的電阻。在這種情況下，只有一種載流子能夠進入電極形成電流，光生載流子的壽命取決于局域束縛態(tài)的復(fù)合時間，通常情況下，這個時間比較長，從而通道中的電子或空穴可以循環(huán)多次，因此會引起較大的增益。

3.1.2 熱電效應(yīng)

（1）光熱電效應(yīng)

光熱電效應(yīng)也稱為塞貝克效應(yīng)。此效應(yīng)基于由光照射引起的熱效應(yīng)。在入射光的照射下，半導(dǎo)體材料內(nèi)部電子狀態(tài)不會直接改變，但吸收的能量會轉(zhuǎn)化為晶格或電子的熱能。由于材料不同區(qū)域間的塞貝克系數(shù)不同，區(qū)域間將產(chǎn)生溫度差異，熱載流子就會在溫度梯度作用下定向移動，形成溫差電動勢，也就是光壓。

（2）輻射熱效應(yīng)

輻射熱效應(yīng)是由入射在材料上的光子所引起的直接加熱導(dǎo)致的材料載流子遷移率改變。二維材料輻射熱探測器的靈敏度由熱阻 Rh=dT/dP決定。輻射熱探測器可吸收亞毫米波甚至毫米波，因此，輻射熱探測器可用于中紅外及遠紅外波段的光檢測[10,37-38]。

3.2 提升探測器靈敏度的主要方法

比探測率代表探測器捕獲弱信號的靈敏度，是探測器最重要的性能指標之一。比探測率的值越大，探測器的靈敏度就越高。由2.3 節(jié)可知，探測器靈敏度的大小由光響應(yīng)度和噪聲功率共同決定。為提升探測器的靈敏度，可以通過降低噪聲功率或提高光響應(yīng)度來實現(xiàn)。

3.2.1 降低噪聲功率

光電探測器存在許多內(nèi)部噪聲，如散粒噪聲、熱噪聲、閃爍噪聲等。散粒噪聲是光電探測器的主要噪聲來源，它主要包括信號光、背景光以及暗電流噪聲[39]。其中，暗電流噪聲是不可忽略的噪聲源，其對弱光探測有著重要影響[40]。暗電流是指在沒有光照射的情況下，半導(dǎo)體中受熱激勵產(chǎn)生的自由載流子在外加電壓的驅(qū)動下，形成的較小電流。由光電探測器暗電流引起的輸出信號起伏稱為暗電流散粒噪聲。暗電流在一定程度上反映了探測器的噪聲水平，暗電流越大，探測器的噪聲功率越大。對具有內(nèi)增益的探測器來說，如光電倍增管、雪崩光電二極管等，內(nèi)增益越大，器件的暗電流越大。基于二維材料的紅外探測器由于具有高暗電流，阻礙了探測靈敏度的進一步提升。因此，抑制探測器的暗電流是降低探測器噪聲功率的一種有效方法。

3.2.2 提升光響應(yīng)度

由式（9）知，響應(yīng)度 R 與外量子效率EQE 有如下關(guān)系[30-31]

由式（12）可見，器件的響應(yīng)度由外量子效率與光電導(dǎo)增益共同決定。其中，外量子效率與材料的吸收系數(shù)α(λ)、吸收區(qū)的厚度w 有如下關(guān)系

吸收系數(shù)α(λ) 是波長的函數(shù)，因此，外量子效率也與波長有關(guān)[41]。由式（13）可見，材料的吸收系數(shù)越大或者吸收層越厚，光電探測器的外量子效率越大。然而，二維材料僅具有原子層厚度，其吸收層很“薄”，因此，二維材料光電探測器的外量子效率較低，這在一定程度上制約了響應(yīng)度的提升。由于器件的響應(yīng)度由外量子效率與光電導(dǎo)增益共同決定，因此可以通過引入高光電導(dǎo)增益提升光響應(yīng)度。

4 基于二維異質(zhì)結(jié)的高靈敏度紅外探測器的研究進展

二維材料異質(zhì)結(jié)結(jié)合了不同材料的優(yōu)勢，并且由于二維材料的原子級厚度以及無懸掛鍵的表面使得異質(zhì)結(jié)中光生載流子的產(chǎn)生與運輸更加可控,結(jié)區(qū)內(nèi)建電場的存在可以促進光生電子-空穴對在異質(zhì)結(jié)界面處有效分離[42-47]。這些優(yōu)點使得近年來基于二維異質(zhì)結(jié)的光電器件發(fā)展迅速。在3.2 節(jié)中，討論了兩種提高探測器靈敏度的方法：抑制探測器的暗電流，降低噪聲功率與引入高光增益，提升光響應(yīng)度。近幾年，研究者圍繞如何在二維異質(zhì)結(jié)中實現(xiàn)暗電流的抑制以及光增益的引入進行了大量研究，并基于此制備了具有高靈敏度的紅外探測器。表1 從兩種不同策略出發(fā)，總結(jié)了近年來基于二維異質(zhì)結(jié)高靈敏紅外探測器的主要性能指標。

表1 二維異質(zhì)結(jié)高靈敏紅外探測器的主要性能指標Tab. 1 Key performance parameters of high-sensitivity infrared detectors based on a two-dimensional heterojunction

4.1 基于低暗電流/暗電流噪聲的二維異質(zhì)結(jié)高靈敏紅外探測器

二維異質(zhì)結(jié)中的p-n 結(jié)或肖特基勢壘結(jié)由于內(nèi)建電場的存在，具有整流特性，可以有效抑制電子的擴散，從而抑制暗電流，減小噪聲功率。特別地，當探測器在光伏模式下工作時，即零偏壓情況下，暗電流最小。

Mingsheng Long 等人基于WSe2/石墨烯/MoS2（p-g-n）異質(zhì)結(jié)制備了室溫寬帶光電探測器，探測光譜范圍從400nm 至2400nm，覆蓋了可見光到近紅外區(qū)域[42]。器件示意圖和光學(xué)圖像如圖1（a）所示。功函數(shù)大的金屬Pd 使得WSe2呈p 型摻雜，而MoS2由于費米釘扎效應(yīng)仍然呈n 型，因此形成了具有強內(nèi)建電場的p-n 結(jié)。由于內(nèi)建電場的存在，暗電流被有效抑制，比探測率相應(yīng)地提高。在可見區(qū)光域，3 種材料均能吸收光并產(chǎn)生光響應(yīng)，R和D*高達104A/W 和1015Jones。在紅外區(qū)域（2400nm），由于MoS2、WSe2本征帶隙的限制，僅零帶隙的石墨烯吸收光，產(chǎn)生光生電子-空穴對，因此R和D*急劇下降到100A/W 和109Jones，見圖1（b）?；诠夥?yīng)的多種二維type-II 異質(zhì)結(jié)同樣具有強內(nèi)建電場，可有效抑制暗電流，因而被廣泛用于近紅外探測。Liu Wang 等人展示了基于MoS2/Si 的近紅外探測器，如圖1（c）、1（d）所示，光譜響應(yīng)范圍從350nm 至1 100nm，可在零偏壓下實現(xiàn)自驅(qū)動運行，對于808 nm 探測光，D*高達1013Jones[43]。Di Wu 等人基于PtSe2/CdTe 異質(zhì)結(jié)實現(xiàn)了室溫近紅外探測，光譜響應(yīng)范圍從200nm 到2000nm，在780nm激光照射下，R和D*分別為506.5 mA/W 和4.2×1011Jones[44]。Cheng Jia 等人制備了基于WS2/GaAs異質(zhì)結(jié)的室溫近紅外探測器,光譜響應(yīng)范圍從200nm 至1 500nm，可在零偏壓下實現(xiàn)自驅(qū)動運行，探測808 nm 光時，R和D*高達527mA/W 和1.03×1014Jones[45]。

圖1 基于二維異質(zhì)結(jié)的低暗電流近紅外探測器。（a）上圖：基于MoS2/石墨烯/WSe2 異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器的光學(xué)圖像[42]，比例尺：5μm；下圖：異質(zhì)結(jié)器件示意圖[42]；（b）光響應(yīng)度R（左）和比探測率D*（右）在400 到2400nm 范圍內(nèi)隨波長的變化[42]；（c）基于MoS2/Si 異質(zhì)結(jié)光電探測器的示意圖[43]；（d）808 nm 激光照射下，光響應(yīng)度R（左）和比探測率D*（右）隨光功率的變化[43]Fig. 1 Near-infrared detector based on two-dimensional heterojunction with a low current. (a) Upper panel: optical image of the MoS2/graphene/WSe2 heterostructure photodetector[39], scale bar is 5μm. Bottom panel: schematic diagram of a heterojunction device[42]. (b) Photoresponsivity R (left) and specific detectivity D*(right) vary with wavelength in the range of 400to 2400nm[42]. (c) Schematic diagram of a MoS2/Si heterojunction photodetector[43]. (d) Photoresponsivity R(left) and detectivity D* (right) vary with optical power under 808 nm laser irradiation[43]

由于材料本征帶隙的限制，上述基于二維異質(zhì)結(jié)的紅外探測器只在近紅外波段具有高靈敏度。中遠紅外波段的高靈敏探測需要基于帶隙更窄的二維材料來實現(xiàn)。因此，基于BP（帶隙～0.31 eV）構(gòu)建二維異質(zhì)結(jié)用于中紅外探測器受到了廣泛研究。James Bullock 等人展示了基于BP/MoS2異質(zhì)結(jié)的中紅外探測器。為了增加光吸收，選取較厚的BP（150nm）制備異質(zhì)結(jié)，同時由于BP 的各向異性，沿扶手椅方向，BP 可吸收80%的波長為3μm 的偏振光。室溫下，對波長為3.8μm 的光進行探測，D*高達1.2×1010Jones，可與商用中紅外光電探測器相媲美。該探測率是在零偏壓下測得的，而其他探測器的探測率大多是在外加偏壓情況下得到的[19]。該二維材料探測器為實現(xiàn)低功耗、室溫運行的中紅外高靈敏度光電探測器提供了一種有效方法。

區(qū)別于上述紅外探測器利用抑制暗電流產(chǎn)生減小噪聲功率、提高探測靈敏度的方式，彈道雪崩通過減少載流子產(chǎn)生的離散性來抑制暗電流波動，減小暗電流噪聲，從而提高探測靈敏度。雪崩光電二極管具有高內(nèi)增益，它利用p-n 結(jié)在高反向偏壓下產(chǎn)生雪崩效應(yīng)進行工作。傳統(tǒng)雪崩因具有高光增益，光探測靈敏度較高，然而載流子碰撞離化過程隨機導(dǎo)致暗電流噪聲大，這使得微弱信號常常被自身噪聲信號淹沒，制約其探測靈敏度的進一步提升。彈道雪崩是一種新型p-n 結(jié)擊穿機制。彈道雪崩中，每個載流子渡越過程中的離子碰撞數(shù)目均為1[46-47]，暗電流噪聲小，這為進一步提升雪崩探測器靈敏度提供了一種有效方法。實現(xiàn)載流子的彈道輸運是實現(xiàn)彈道雪崩的前提，這要求載流子的平均自由程（平均自由程一般為nm 量級）要大于溝道長度，這一條件僅能在具有原子層厚度的二維材料中實現(xiàn)。BP 由于強層間耦合作用，具有較高的面外遷移率，這使得在BP 中有望實現(xiàn)彈道輸運[48-52]。Anyuan Gao 等人構(gòu)建了基于“彈道雪崩”的BP（～10nm）/InSe（～10nm）異質(zhì)結(jié)中紅外探測器，檢測波長從可見光至4μm的中紅外波段[20]。在200K 時，BP 中空穴和電子的平均自由程分別約為14 nm、10nm，均比BP溝道長度大。該器件的雪崩電壓小，在反向偏壓小于2V 時，就出現(xiàn)了雪崩現(xiàn)象；在?4.3V 時，器件的雪崩倍增因子高達3×104。該器件在雪崩模式下比非雪崩模式下的噪聲更小，無白噪聲，呈現(xiàn)完美的1/f 噪聲（閃爍噪聲）形狀；當頻率大于某一頻率后，彈道雪崩光電探測器的噪聲水平低于傳統(tǒng)雪崩光電探測器理論極限。這說明，彈道雪崩中暗電流噪聲被有效抑制，優(yōu)異的噪聲性能使得基于彈道雪崩的光電探測器有潛力實現(xiàn)高靈敏度光探測。

4.2 具有高增益的二維異質(zhì)結(jié)高靈敏度紅外探測器

除了通過抑制暗電流來提高二維異質(zhì)結(jié)紅外探測器的靈敏度以外，提高響應(yīng)度也是提高探測器靈敏度的一種有效方法。由3.2 節(jié)可知，由于二維材料僅具有原子層厚度，這導(dǎo)致了二維材料探測器外量子效率低，在一定程度上制約了探測器響應(yīng)度的提升。由于器件的響應(yīng)度由外量子效率和光電導(dǎo)增益共同決定，因此實現(xiàn)高光響應(yīng)的一個有效方式是實現(xiàn)高光電導(dǎo)增益?；趐hotogating 效應(yīng)的二維異質(zhì)結(jié)紅外探測器因有效延長了光生載流子的壽命，使得器件具有高光增益。當光照射具有photogating 效應(yīng)的二維異質(zhì)結(jié)時，光敏材料吸收光，產(chǎn)生光生電子-空穴對。之后光生電子-空穴對在內(nèi)建電場作用下，在異質(zhì)結(jié)界面分離，一種類型的載流子被捕獲，形成光致局域場，這種載流子被捕獲的時間一般較長，相當于延長了光生載流子的壽命；另一類型的載流子注入溝道材料中，在光生載流子復(fù)合前，可以在溝道內(nèi)多次循環(huán)，實現(xiàn)高光增益，從而使探測器具有高響應(yīng)度。

Konstantatos 等人展示了基于石墨烯/PbS 量子點的光電晶體管，光譜響應(yīng)范圍從可見光至短波近紅外，具有108的超高增益、5×107A/W 的光響應(yīng)度、7×1013Jones 的高比探測率[29]。光譜響應(yīng)范圍由PbS 量子點的吸收譜決定，石墨烯中由于光生載流子的快速復(fù)合基本不產(chǎn)生光電導(dǎo)，通過調(diào)節(jié)量子點尺寸，量子點的帶隙發(fā)生改變，從而使光譜響應(yīng)范圍改變。PbS 量子點薄膜吸收光，產(chǎn)生光生電子-空穴對；之后，光生電子-空穴對在界面處的內(nèi)建電場分離。由于光照，石墨烯內(nèi)狄拉克點（VD）漂移至更高的柵極電壓（VBG）。當VBG＜VD時，電子被PbS 量子點捕獲，空穴從PbS 量子點轉(zhuǎn)移至石墨烯導(dǎo)電溝道。由于石墨烯是p 型溝道材料且具有高載流子遷移率，因此，空穴在溝道載流子運輸中占主導(dǎo)作用，并且空穴的渡越時間短，量子點捕獲光生電子期間，溝道中的空穴循環(huán)多次，因此具有超高的光電導(dǎo)增益。Nengjie Huo 等人展示了基于MoS2/HgTe 量子點的光電探測器，圖2（a）是其器件示意圖，其波長覆蓋范圍超過2μm[53]。HgTe 量子點薄膜作光敏層，通過調(diào)整HgTe 量子點的大小，響應(yīng)光譜范圍可以擴展到中波紅外和長波紅外。MoS2溝道和HgTe量子點敏化層之間的TiO2緩沖層作為MoS2溝道的保護層，并對MoS2實現(xiàn)了n 型摻雜，MoS2/TiO2與HgTe 量子點在界面處形成有效的p-n結(jié)。光照下，光生電子轉(zhuǎn)移至MoS2溝道中，光生空穴被HgTe 量子點捕獲，因此光生電子在空穴捕獲期間，可以在溝道中多次循環(huán)，導(dǎo)致高光增益。通常，光電導(dǎo)型器件暗電流比較高，通過柵極電壓可以對暗電流進行調(diào)節(jié),以進一步提升D*。該探測器可以在室溫下運行并表現(xiàn)出亞毫秒級的響應(yīng)和～106A/W 的高響應(yīng)，在波長為2μm 時的比探測率D*高達～1012Jones(見圖2（b）)。

圖2 基于二維異質(zhì)結(jié)的高增益紅外探測器Fig. 2Infrared detector with high gain based on a two-dimension heterojunction

如上文所述，在“photogating”器件中，量子點作為一種常見的“photogate”，在光照下，形成光致局域場，捕獲單一類型的載流子，從而有效延長了光生載流子壽命，實現(xiàn)了器件的高光增益。除了量子點可作為“photogate”以外，各向異性材料由于具有各向異性的晶體結(jié)構(gòu)，也可以充當“photogate”,對光生載流子進行捕獲。Lei Yea 等人首次展示了基于BP/WSe2異質(zhì)結(jié)的近紅外偏振靈敏探測器[54]。WSe2充當導(dǎo)電溝道，BP 充當“photogate”。在可見光區(qū)域，兩種材料均吸收光子，產(chǎn)生光生電子-空穴對，之后光生電子-空穴對在內(nèi)建電場作用下分離。光生電子從BP 轉(zhuǎn)移至WSe2，在WSe2溝道中形成光生電流，空穴轉(zhuǎn)移至BP，相當于被BP 捕獲。然而在紅外波段，由于材料本征帶隙的限制，僅有BP 吸收光子，產(chǎn)生光生電子-空穴對。同樣地，在內(nèi)建電場作用下，光生電子從BP 轉(zhuǎn)移至WSe2，而空穴被BP 捕獲。由于BP 充當“photogate”，將空穴捕獲，這增加了WSe2溝道中的自由電子濃度，使得光生電子在空穴捕獲期間可以在溝道中多次循環(huán)，因此該探測器具有高光增益。室溫下，可見光波段和紅外波段的響應(yīng)度分別為～103A/W（637nm）、～0.5 A/W（1 550nm）,可見光和紅外區(qū)域的比探測率分別為1014和1010Jones，可見光和紅外區(qū)域的光電導(dǎo)增益分別為106和102。

5 結(jié)論與展望

要實現(xiàn)探測器的高靈敏度，探測器應(yīng)具有低噪聲功率、高光響應(yīng)度等性能。因此，本文從降低噪聲功率、提高光響應(yīng)度這兩個角度出發(fā)，回顧了近年來基于二維異質(zhì)結(jié)的高靈敏度紅外探測器的研究進展。降低噪聲功率的一個有效方法為抑制器件的暗電流噪聲：基于光伏效應(yīng)的二維異質(zhì)結(jié)紅外探測器因具有強內(nèi)建電場，可有效抑制暗電流；彈道雪崩同傳統(tǒng)雪崩相比，載流子在彈道輸運中電荷幾乎無散射，使得暗電流噪聲被極大地抑制。提高光響應(yīng)度的一個有效方法是實現(xiàn)器件的高增益：基于photogating 效應(yīng)的二維異質(zhì)結(jié)紅外探測器可以延長載流子壽命，實現(xiàn)高增益，獲得高響應(yīng)度。因此通過抑制器件的暗電流或?qū)崿F(xiàn)器件的高增益，均有機會實現(xiàn)高靈敏度紅外探測。盡管基于二維異質(zhì)結(jié)的高靈敏度紅外探測器近年來受到了廣泛研究，然而該領(lǐng)域仍舊面臨著很多問題。

（1）如何平衡好響應(yīng)度與響應(yīng)速度，獲得綜合性能良好的高靈敏度紅外探測器

基于光伏效應(yīng)的二維異質(zhì)結(jié)紅外探測器盡管具有低暗電流、低噪聲功率，然而光增益小，導(dǎo)致其光響應(yīng)度低；基于photogating 效應(yīng)的二維異質(zhì)結(jié)紅外探測器盡管具有高增益、高響應(yīng)度，然而由于載流子壽命長，導(dǎo)致其響應(yīng)速度慢。如何平衡好二維異質(zhì)結(jié)紅外探測器的響應(yīng)度與響應(yīng)速度，獲得綜合性能良好的高靈敏度紅外探測器是設(shè)計紅外探測器需要考慮的問題。光增益與導(dǎo)電溝道的載流子遷移率以及載流子壽命成正比，而載流子壽命越長，光電探測器的響應(yīng)速度就越慢，這也是導(dǎo)致基于photogating 效應(yīng)的光電探測器響應(yīng)速度慢的原因。因此為提高光增益，研究人員應(yīng)把注意力集中在提高載流子遷移率上，而不是延長載流子壽命[33]。這為獲得綜合性能良好的近紅外探測器提供了一種有效的方法。

（2）異質(zhì)結(jié)的界面研究

界面污染與缺陷對二維材料的物理性能有重大影響。界面缺陷與污染容易導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)界面處形成電子-空穴復(fù)合中心，使光生電子-空穴快速復(fù)合，從而使光生載流子壽命減?。唤缑骐s質(zhì)和缺陷引入了附加勢場，破壞了晶體的周期性勢場，從而使載流子的散射概率增加，平均自由時間縮短，載流子遷移率降低。因此，如何獲得干凈、無缺陷的界面是異質(zhì)結(jié)制備過程中的重要問題。此外，研究異質(zhì)結(jié)界面處電荷轉(zhuǎn)移和相互作用，有利于闡明光電探測器的工作機制，提高其光電性能。

（3）大面積、高質(zhì)量、低成本的二維材料生長

目前大多數(shù)高靈敏度二維異質(zhì)結(jié)紅外探測器中的二維材料都是通過機械剝離得到的，機械剝離制備的器件可重復(fù)性低，器件產(chǎn)率低，這種方法不適合商業(yè)應(yīng)用。近年來，應(yīng)用于紅外成像系統(tǒng)的探測器朝著高度集成化的方向發(fā)展，紅外焦平面陣列技術(shù)已成為當今紅外成像技術(shù)的主要發(fā)展方向。紅外焦平面陣列探測器是指位于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上，帶有信號處理能力的面陣探測器。紅外焦平面陣列探測器構(gòu)成的紅外成像系統(tǒng)較傳統(tǒng)的光機掃描紅外成像系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、靈敏度高、噪聲等效溫差性能好等優(yōu)點。為了使二維異質(zhì)結(jié)紅外探測器能用于紅外焦平面陣列的制造，早日實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，研究人員應(yīng)積極探索二維材料或二維材料異質(zhì)結(jié)的生長，以制備大面積、高質(zhì)量、低成本的二維材料。