Small:碲化硅 ——面向宽带光电探测的二维硅基半导体

上世纪60年代以来,硅基材料取代锗基材料成为了现代电子工业的支柱。出于对性能的极致追求,以及降低生产成本的需要,数十年来,人们不断推动半导体制造工艺发展进步。而要发展更先进的技术,除了设计更加先进的器件结构,另外一条重要途径就是对相关器件在物理尺度上进行缩小,更小的器件尺寸可以实现更高的集成度以及更高的能量利用效率。然而,技术发展终究要服从于物理法则,人们发现,硅半导体的载流子迁移率在3nm以下急剧降低,而通过二氧化硅绝缘栅的漏电流却随着栅极厚度的减小越来越大。面临新挑战,这次,究竟是采用更优的器件结构,还是更换新的半导体材料?

正当人们对硅基半导体技术该何去何从疑虑重重时,二维材料横空出世,并以其新颖的电学和光电特性而受到广泛的关注。迄今为止,已有数百种基于二维材料的晶体管和光电探测器被制作和研究,显示出这一新兴家族巨大的生命力和广阔的应用前景。然而,考虑到硅基技术相对成熟以及在现代电子工业中无处不在的巨大影响力,当前人们关注的焦点还是将新兴的二维材料与硅基技术相结合来构建下一代异质器件。由于硅基二维材料与硅基相关技术存在天然的化学和工艺兼容性,从而可以将二维材料独特的性质引入集成电子和光学应用领域。从这个角度上来看,相较于其他二维材料,硅基二维材料无疑具有更加光明的前景。

Small最近发表了由中科院固体物理研究所李广海研究员/安徽大学李亮教授共同撰写的文章“2D Silicon‐Based Semiconductor Si2Te3 toward Broadband Photodetection” (DOI:10.1002/smll.202006496)。该文章报道了通过化学气相沉积法合成出的一种新型两维材料Si2Te3,并对它相关的光学及电学性质进行了详细的研究。发现二维Si2Te3有着有趣的化学计量比(Si/Te=2/3),晶体中一定比例的Si−Si对允许缺失,而不会影响其晶体结构。这一缺陷晶体结构进一步导致了Si2Te3在550-1050nm范围内的超宽光致发光光谱以及典型的P型导电特性。基于Si2Te3的光电探测器在405 nm−1064 nm范围内具有宽带响应。其中,在405 nm光照下,探测器的最大光响应率和探测率分别高达65 AW-1和2.81×1012 Jones。这些优异性能使得Si2Te3成为一种很有前途的光探测材料,有利于促进其在高性能、功能化器件中的应用。作为第一个被引入二维家族的IV−VI族硅基半导体,Si2Te3将激发人们对进一步探索二维硅基材料在光电子领域的实际应用的兴趣。

论文信息:

2D Silicon‐Based Semiconductor Si2Te3 toward Broadband Photodetection

Jiawang Chen, Chaoyang Tan, Gang Li, Lijie Chen, Hanlin Zhang, Shiqi Yin, Ming Li, Liang Li and Guanghai Li

Small

DOI: 10.1002/smll.202006496