Small Methods: 二维层状半导体异质结光电探测器研究进展综述

二维层状材料由于其独特的结构、机械和物理特性以及潜在的应用,在过去十几年来受到了广泛的关注和研究。二维材料的大家族包括单元素的二维原子晶体(比如石墨烯和黑磷(BP))、过渡金属二硫化物(TMDCs)、氮化物、氧化物、硫属化合物、硫代磷酸盐、卤化物等等。从独特的物理特性角度而言,很多二维材料展现出层数依赖的电子能带结构:例如,典型的过渡金属二硫化物(比如 MoS2、WS2 等等),其能带在体相是间接带隙,而单层是直接带隙。GaSe 和InSe 随着厚度减薄为几个纳米的少层时,依然是直接带隙半导体。而黑磷材料的块材和单层状态均表现为直接带隙,其禁带宽度分别为 ~0.3 eV 和 ~2 eV。此外,很多二维材料中的电荷载流子种类和浓度可以通过化学掺杂和静电控制等手段进行有效的调控,这恰好可以满足不同的需求和器件应用。二维材料层内是由共价键组成的不具有悬挂键的晶格,层与层间存在的是比较微弱的范德华作用力,可以通过机械剥离后转移叠加,并且不用考虑晶格匹配的限制,进而制备出各种不同的范德华异质结构。基于二维材料的异质结,为构造兼具多种二维材料优异特性的多功能器件提供一个很好的平台。这些新奇的结构和特性为二维层状材料在各领域的潜在应用奠定了基础,比如太阳能电池、发光二极管、生物传感器、光电探测器等等。其中,光电探测器是一种广泛应用的将光子转化为电信号的光电器件,它作为核心结构广泛应用在遥感、光通信、夜视、生物医学成像等领域。

在二维材料光电探测器中,不同的结构和探测机制导致了器件性能的多样性,最为常见的运行机制包括光伏效应、光电导效应和光生热电效应。与传统块状半导体的光电探测器相比,二维材料光电探测器展现出了广谱探测,快速和高响应度等优异的性能。此外,二维材料原子级厚度赋予了它很好的机械柔韧性,使其可以应用在柔性、可穿戴和可携带等新奇的电子学器件领域。

近日,中国科学院半导体研究所的王开友研究员和魏钟鸣研究员合作撰写了题为“Toward High-Performance Photodetectors Based on 2D Materials: Strategy on Methods”的综述论文(Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201700349)),文章第一作者为闫法光博士。该综述从实验方法和策略入手,基于光电导效应和光伏效应,重点对以下五种方法进行了系统总结和讨论:包括表面等离子体增强、电荷转移辅助、光学波导集成、石墨烯夹层结构和CVD方法直接生长的异质结构。文章首先详细介绍各种方法的进展,然后对各自的优缺点进行了深入探讨。其中,表面等离激元增强可以有效地提高二维材料光电探测器的光响应度和外量子效率,也可以通过设计等离激元纳米结构实现选择性光谱探测;在电荷转移辅助方法中可以实现超高的光电导增益和光响应度,但是由于长的载流子寿命会牺牲响应速度;相反,光波导集成方法可以实现高的光响应度和超快的响应速度;对于石墨烯夹层的结构,得益于范德华异质结能带工程和垂直异质结中原子层厚度的电荷提取沟道,可以获得广谱的光电响应和较快的响应速度;此外,直接CVD生长方法可以提供更强的异质结层间耦合作用和避免相邻界面污染物的引入来提高探测器性能。特别的一点是,这种方法可以获得面内异质结,这在其它方法中是不可能实现的。

最后,基于对不同实验方法策略的总结讨论,作者尝试着展望未来二维材料光电探测器的几个潜在的发展方向。首先,应该采用新的接触方式来减小器件中的接触电阻。例如,在边缘接触结构中,载流子的注入仅被限制在二维材料的一维原子边缘,使得接触电阻显著减小。另外,由于石墨烯独特的电学性能和二维形态,石墨烯电极接触方式也是一种值得考虑的模型;第二,将不同的方法策略进行集成可以为性能提升提供一个较好的平台;第三,合成开发具有高迁移率和环境稳定性的新奇二维材料,同时探索制备可控的、高质量和大尺寸的二维异质结的技术来满足在未来集成电路中的应用;最后,推进二维材料光电探测器同现有光电子和微电子平台建立大规模集成,比如CMOS技术,对其最终的商业化应用意义重大。

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