原位制备多层二硫化钼/硅的高速光电探测器

近年来,以类石墨烯材料二硫化钼(MoS2)为代表的新型二维过渡金属半导体材料,无论从基础科学以及应用技术的角度都引发了人们极大的研究兴趣。二硫化钼不仅具有石墨烯的一些优异性质,而且具有良好的载流子迁移率、宽波长吸收范围,以及随层数不同可改变调控的带隙(1.3~1.8 ev),可用于光伏、光电探测等领域,有望成为新一代光电子器件的二维平台。其中,作为光电系统的核心组件的光电探测器,在成像技术、光通讯及光电集成电路等多领域显示出极大的应用价值。已报道的基于二硫化钼制备的探测器,特别是以半导体异质结为核心的探测器,展现了增强的响应度和更加优越的性能。而这类异质结型探测器的物理机制及性能的进一步改善也相应成为了目前国际纳米科学及光电器件领域的研究热点。研究者们通过各种方法得到了可与石墨烯、硅基以及其他纳米材料光电探测器件相媲美的光响应度,但与动态实时探测密切相关的响应速度及工作频率依然有很大的改善空间,方可实现高速高频光电探测。目前用于光电探测的层状二硫化钼大多是采用剥离或化学气相合成方法制备的,具有尺寸不可控,步骤复杂等缺点,其中采用的湿法转移技术往往会对二硫化钼的表面造成皱褶,并破坏其结构连续性,从而影响器件性能。

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合肥工业大学材料科学与工程学院蒋阳教授课题组博士生张彦和于永强博士合作,利用浸渍提拉并两步高温退火处理的工艺方法,方便、可控的在n型重掺杂硅衬底上制备出大面积、高质量的多层二硫化钼薄膜,并原位构建出多层二硫化钼/硅垂直式n-n同型异质结型高速可见-近红外光探测器。为实现优质多层二硫化钼薄膜的可控生长,研究中首先将四硫代钼酸铵溶于二甲基甲酰胺(DMF)以形成前驱体溶液,采用浸渍提拉法匀速提拉形成前驱体薄膜,并在不同温度下进行两步高温热退火处理,在n型重掺杂硅衬底上制备出大面积、高质量的多层二硫化钼薄膜。随后在模板的保护下,采用电子束蒸发在薄膜上制备钛/金电极,原位构建出多层二硫化钼/硅垂直式n-n同型异质结型光探测器。这种同型异质结构可调制势垒高度和宽度,更有利于多数载流子的传输,增强光增益。而原位制备的方法避免了复杂不可控的转移步骤,确保了优异的光电特性。结果显示,该探测器可探测可见光,甚至到近红外的光信号,光响应度可达到11.9 AW-1,在4 kHz的脉冲光信号下响应速度仍可快至微秒级(30.5 μs),甚至是在更高频(100 kHz)脉冲信号下,器件依然显示出稳定、快速的光响应。研究结果表明,该探测器具有响应速度快、制备工艺简单、性能稳定等优点,具有良好的光电探测应用前景,为同类二维半导体异质结型快速光电探测器的简化构建与拓展应用提供有益的参考。相关研究结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201502923)上。