二维材料光电探测器的进展、机遇及挑战

二维材料的研究从石墨烯的发现开始。经历了短短十多年的快速发展,基于二维材料的电子、光电子器件的研究取得了一系列引人注目的成果。随着新的材料合成技术、异质结制备方法及微纳米尺度器件加工技术的发展,具有优异物理性质的新型器件不断被成功研制。其中具备优异光电性能的新型结构被不断地设计和制备,快速推动了二维材料光电探测器的发展。一系列高性能光电探测器被相继被报导,如超宽波段二维材料光电探测器可以实现从紫外到红外甚至太赫兹波段的高灵敏探测,超快响应速度的石墨烯探测器带宽高于100 GHz,部分基于二维材料异质结的中、长波红外探测器实现了室温工作。此外,大面阵高灵敏近红外焦平面器件也被成功研制,已经实现了388´288的阵列成像(Nat. Photon., 2017, 11, 366),逐步向实用化方向发展。

在光电探测方面,传统的薄膜半导体(如Si、GaN、InGaAs、InSb、HgCdTe等)一直占据着市场的主导地位。下一代光电探测器正朝着室温、宽波段、超灵敏、超小像元、超大面阵及多维度光信息探测等方向发展。新型二维材料光探测器及其异质结构探测器的发展迎来了新的机遇和挑战。相比较于传统三维薄膜半导体,二维材料在一个维度的尺寸远小于光波长,能够获得较低的暗电流及噪声。然而,原子层厚的二维材料透光率很高,光吸收不如薄膜材料,怎么实现超强光与物质相互作用,如何实现室温红外探测?是什么物理机制使得能在如此薄的材料上获得优越的光电探测性能?是否存在难以克服的缺点?未来发展方向如何?该类器件的工作机制和应用价值值得探索和总结。

近期来自中科院上海技术物理研究所的胡伟达课题组的邀请综述文章“Progress, Challenges, and Opportunities for 2D Material Based Photodetectors”阐述了二维材料光电探测中的探测机理,从关键指标角度全面总结了二维材料探测器的重要进展,分析和指出了当前探测器存在挑战和需要努力突破的难点,对未来发展方向做了进一步探讨。

目前二维材料探测器可以实现超高的单项性能指标,例如光响应率可高达~10^10 A/W,光导增益~10^12,频率响应~128 GHz,响应时间~1 ps等。然而器件的实际应用需要考虑器件的综合性能及研制成本。基于Photogating效应获得的超高光增益是以牺牲响应时间为代价的。大部分石墨烯探测器能够实现快速光响应,但是响应率非常低。目前需要解决的关键问题如何同时实现高灵敏和快速探测,抑制暗电流和噪声的同时不损失器件的响应率等。此外,如何实现二维材料的大面积制备,促进单元器件向大规模面阵发展,实现从单一光强度探测到多维度光信息探测的升级,也是正在面临着的严峻挑战。文章通过表格和图形数据对大量二维材料探测器的性能进行了总结,针对不同实际探测所需求的材料选取及器件结构设计提供了有价值的信息和建议。

文章最后总结了基于二维材料光探测器的响应率与响应时间的对比。石墨烯探测器主要适合快速光电探测,但响应率偏低;过渡金属硫族化合物响应率很高,但相对响应时间较长;黑磷的光响应率和响应速度在两者之间。因此,黑磷是可能同时实现高响应率和响应速度的重要材料,目前二维材料探测器中仅有黑磷实现了直接的黑体响应,响应波段在中波红外。进一步窄化黑磷材料的带隙及探索新型二维窄带新材料,是努力实现基于二维材料的室温中长波红外探测实际应用的重要途径。另外二维材料的大规模制备也是需要发展的一个重要方向,为未来制备二维材料大面阵器件打下基础。该工作发表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.201803807),为高性能二维材料光电探测器的研制和应用提供了参考。