Nano Select:基于二维材料的中红外光探测器的发展

红外光探测器是多种光电应用的核心,在光谱学、遥感、成像和光通信等领域具有重要的应用。其中,中红外光谱范围包含了多个大气窗口 (如3-5 μm和8-14 μm),与追踪、热成像、环境监测以及大多数生物分子和化学物质的主要吸收波段和指纹识别有关,是在应用技术上非常重要的波段。与可见光和近红外波段的光探测器相比,当前用于中红外波段的商业化光探测器通常受到需要低温制冷、成本高昂,或者制造复杂,与硅基半导体工艺不兼容的困扰。

近年来,以石墨烯为代表的二维材料由于具有优异的光电性能(如可调的能带带隙,强光吸收性能,高载流子迁移率,良好的柔韧性和易加工性等)显示出了实现高性能中红外光探测器的潜力。二维材料可以通过机械剥离或直接在衬底上生长的方法制备,工艺相对简单,并且二维材料超薄、超小的天然属性,易与其他半导体材料集成,这些特点有助于探测器件的进一步小型化。

近期,中科院长春光机所和李绍娟研究员和黎大兵研究员等合作以“Research development of 2D materials based photodetectors towards mid-infrared regime”为题综述了基于二维材料的中红外光探测器的发展现状。文章在第一部分首先讨论了二维材料在中红外光探测中的潜在优势,二维材料与传统半导体材料的工艺兼容性和功能多样化有希望克服传统中红外光探测器进一步小型化所面临的困难,使得二维材料有希望成为红外电子-光子集成中的重要潜在材料。第二部分介绍了近些年来基于二维材料的中红外光探测器的研究进展,重点关注了石墨烯、黑磷、砷掺杂黑磷、第十族过渡金属硫族化合物、拓扑半金属、二维碲烯等窄带隙二维材料,以及不同二维材料组成的范德华异质结构中的新型物理效应在中红外波段光探测中的应用。第三部分,作者总结了这个快速增长的领域所面临的挑战。文中指出,目前在获得兼具高响应速度、高增益和高探测率的二维材料中红外光探测器方面仍然面临很大挑战。第四部分,作者对目前提高二维材料光探测器性能的方法进行了总结分析。在二维材料光探测研究的早期,石墨烯的研究发展驱动了许多新型二维材料的发掘,伴随着出现了不同类型的光探测器件。然而早期对光探测器件的研究大多体现在器件单一性能指标的提升方面,在响应度和增益方面获得了大幅度的提升。而伴随着中远红外光探测的发展,对探测器噪声的抑制以及探测率的提升变得尤为重要。而目前主流提升探测器件性能的解决途径包括:1)提高系统对弱光信号的探测能力,提高响应度,比较有效的途径是提高光探测系统的光吸收度。2)降低暗电流和抑制系统噪声,从而提高探测率,比较有效的途径是引入p-n结或者肖特基结。这些方法各有优缺,作者在文中也进行了讨论。

几种代表性的二维材料光探测器与传统红外探测器的性能参数对比。 (a)光探测器的探测率、工作温度和工作波长的依赖关系。(b)光探测器的响应度和响应速度的依赖关系。

二维材料光探测器近年来的研究发展

提高基于二维材料的光探测器的器件性能的主要解决方法

尽管基于二维材料的中红外光探测器的研究仍有一些关键问题需要解决,但二维材料的原子层性质和宽带光响应有望成为中远红外光电探测的重要潜在材料。为了获得具有快速响应、高增益和高响应度的二维材料中红外光探测器,可以通过增加中红外波段的光吸收或者改变能带结构来优化器件的光响应性能,以便快速有效地提取电信号。对于前者,可以使用光学谐振腔等设计来增强光吸收。对于后者,可以探索能带匹配和异质结结构中的新颖物理特性(例如弹道雪崩现象和层间激子)来提高器件在中红外波长下的性能。此外,使用二维材料在中红外波段的场局域光学特性来增强中红外光探测器的性能可能是一种潜在的方法。

如何实现兼具高灵敏度、高速度、可室温工作的中红外光探测器是目前一个重要的研究领域和科研热点,作者希望这篇文章中对当前研究的总结与分析可以为高灵敏度、高速、紧凑的中红外光探测器的开发提供更多的思路。

相关论文在线发表在 Nano select(DOI: 10.1002/nano.202000237)。