Advanced Functional Materials:超高速宽光谱多层MoTe2-Si二维-三维异质结光电探测器

速度是这个时代的标签,从2G到3G、3G到4G,再到5G时代的来临,都是一个个速度变革带来了人类文明的不断进步。在这个科技高速发展的时代,更是一个人与自然更加紧密联系的时代,而光是人与自然界联系的枢纽,是光让我们了解到了世间万物的精彩。光电探测器扮演了十分重要的角色,将难以捉摸的光信号转化为了我们容易识别的电信号。具有优异光电特性的二维过渡金属硫化物(2D TMDCs)材料被广泛应用于光电探测器的相关研究中,各种基于二维TMDCs光电探测器不断被设计研制出来。然而,受限于TMDCs材料缺陷和持续光电导效应等材料和器件结构因素的影响,基于TMDCs光电探测器的响应速度受到限制,往往局限在几十微秒甚至几秒之间,这将难于符合当前高传输速率系统的发展要求,与当今的“高速时代”背道而驰。

近日,合肥工业大学电子科学与应用物理学院于永强课题组和苏州大学功能纳米与软物质研究院揭建胜教授课题组合作,针对二维TMDCs基光电探测器响应速度低等问题进行了深入的研究,设计制备成了超高速宽光谱硅兼容的多层(FL)-MoTe2-Si 2D-3D光电二极管型光电探测器,相关结果发表在Advanced Function Materials(DOI: 10.1002/adfm.201907951)上。针对二维TMDCs机械剥离法难于大面积转移和磁控溅射法制备的层状薄膜缺陷较多以及厚度不可控等问题,研究者探索了出了新的大面积制备2D TMDCs的合成方法-脉冲激光沉积法(PLD),实现了高质量、大面积均匀FL-MoTe2 薄膜的制备,并原位构建了FL-MoTe2-Si 2D-3D异质结光电探测器,避免了二维层状材料复杂的转移工艺及转移过程引入的界面影响。采用垂直n-n型异质结设计,异质结界面内建电场加速了光生载流子的分离。此外,通过优化多层高电导MoTe2薄膜的厚度,减少了光生载流子传输时间,提升了光电探测器的响应速度。研究发现,该新型FL-MoTe2-Si 2D–3D光电二极管响应速度高达150 ns, 电学带宽达0.12 Ghz,探测率达6.8×1013 Jones,这些性能参数在目前报道的2D TMDC基光电探测器中处于领先水平,甚至可以与部分商用的Si和Ge光电二极管的性能相媲美。此外,该光电探测器具有300-1800 nm宽光谱响应,拓宽了Si基光电探测器在近红外波段的响应范围。独特的垂直n-n异质结设计,以及超薄层状MoTe2薄膜的制备为构筑高速宽光谱硅兼容的2D–3D异质结光电探测器提供了新的思路。