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铁电材料是指在一定范围内具有自发极化的材料,极化方向可以在外加偏压的作用下发生反转。当没有外加偏压时,铁电材料由于剩余极化还会维持在极化状态。铁电局域场调控就是利用铁电材料代替栅极中的氧化层,利用极化场来调控器件的沟道性质。王旭东等[17]利用新型铁电聚合物薄膜,聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))作为栅极实现铁电局域场调控。当施加的电压超过铁电材料的矫顽力电压时,铁电畴的极化方向将保持不变,在外部电压去除时,会产生剩余极化效应,从而产生持续作用于通道的静电场,该电场用于抑制暗电流。图2(a)、(b)、(c)分别是PVDF极化的三种状态:Fresh (没有极化)、P up (极化方向向上)、P down (极化方向向下)。电流如图2(d)所示,当为P up状态时,在极化电场的作用下n型MoS2沟道表现出完全耗尽的状态,电子浓度远小于Fresh状态,暗电流被极大地抑制。因此在加光时,Fresh状态能看到微弱的光响应,而P up能看到明显的光响应。PVDF极化场还可以钝化少层MoS2表面的陷阱态,进一步改善MoS2光电晶体管的光电性能,在635 nm、功率为1 nW的激光照射下实现了2570 A·W−1的超高响应率和2.2×1012 Jones的超大比探测率。进一步,王等人通过密度泛函理论计算在不同外加电场下,间接带隙半导体MoS2带隙随外加电场的变化。并通过实验证明了,在极化场的作用下MoS2光电晶体管可以探测到1550 nm的激光,将探测范围从可见光拓展到了近红外光。
图 2 (a)、(b)、(c) Vds=0 V时,不同铁电极化态器件截面结构和平衡能带图;(d) 不同极化状态下MoS2的光电流;(e) 对数坐标下ZnO转移特性曲线;(f) 铁电局域场增强ZnO纳米片光探测器的时间分辨光响应特性
Figure 2. (a), (b), (c) When Vds=0 V, the cross-sectional structure and equilibrium energy band diagram of different ferroelectric polarization state devices; (d) MoS2 photocurrent in different polarization states; (e) ZnO transfer characteristic curve under numerical coordinates; (f) Time-resolved optical response characteristics of ferroelectric local field enhanced ZnO nanosheet photodetector
除了由范德华力连接的层状的二维半导体之外,某一个维度相较于另外两个维度被限制的,具有纳米/原子结构特征的新型二维半导体材料,如纳米片、纳米带、纳米膜等也容易被局域场调控,进而体现优异的光电探测性质。王鹏等[18]利用PVDF的钝化效应,对二维氧化锌纳米片(ZnO)表面陷阱进行改善。纳米ZnO是一种禁带宽度为3.4 eV的直接带隙半导体,是最具潜力的紫外光电候选材料之一。但是由于ZnO表面存在着大量本征的未填充的陷阱并且难以实现p型掺杂,使得大多数ZnO光电探测器载流子迁移率低,暗电流高,无法应用到实际。而利用PVDF产生局域场调控时,不仅可以实现完全耗尽多数载流子,抑制暗电流,同时钝化陷阱还会增强其光电流,如图2(e)所示,在对数坐标中获得了超过107的光开关比。该工作的光电导增益有了极大的改善。器件的光电导增益(G)是光电探测器一个重要的评估系数,它指的是单位时间内收集的载流子数量与吸收的光子数量的比率。可以用如下公式来表示:
$$G{=}\frac{{{N}_{\rm{e}}}}{{{N}_{ph}}}=\frac{{}^{{{I}_{ph}}}\!\!\diagup\!\!{}_{e}\;}{{}^{PA}\!\!\diagup\!\!{}_{\hbar \nu }\;}$$ (1) 式中:Iph是光电流;P是激光功率;A是器件有效面积;e是单位电荷;
$\hbar \nu $ 是入射光子能量。此器件的G高达1.24×106,高增益表明此工作中的ZnO纳米片可以在弱光下产生高光电流信号。在ZnO纳米片中会出现持续光电导效应,这是因为ZnO晶体中含有丰富的氧缺陷,会在ZnO禁带中形成缺陷能级,捕获电子和光生电子,使得n型ZnO中空穴和被束缚的光生电子难以复合,继续参与导电,这会给实际应用带来很大的阻碍。该工作通过改变极化场方向来改善此现象,如图2(f)所示。器件加光时(OFF态变到ON态),漏电流迅速上升,在10−6 A达到饱和。当光关闭时(从ON态变到OFF态),器件的光电流仍保持在一个较高的水平,表示发生了光电导持续现象。但是当加一个持续143 μs的30 V的脉冲时,PVDF内的极化场方向发生反转,ZnO沟道中产生大量载流子,提高了价带中空穴复合的几率,从而降低了器件电流,在一定程度上解决了光电导持续的现象。
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单层二维材料一般由原子间的共价键结合组成,表面无悬挂键且表面化学键饱和。一类以范德华力结合的多层二维材料可以允许不同材料任意结合而无晶格失配。由此可制备多种基于二维材料的异质结结构,并通过原子层间内建电场实现垂直方向的电场调控。黑砷磷(black Arsenic Phosphorus, b-AsP)有着较小的带隙,截止波长为8.5 μm,不仅完全覆盖了中长波红外的第一个大气窗口(3~5 μm),还拓展到了长波红外的第二个大气窗口(8~14 μm)。龙明生等[19]通过机械剥离的方式制备了b-AsP光电晶体管(配比为As∶P=0.83∶0.17),通过mapping测试(一种器件的电学、光学表征测试),发现零偏时电流集中于金属与b-AsP接触区域附近,并且不同位置出现了方向相反的电流,证明同时出现了光伏效应(PVE)和光热电效应(PTE)。如图3(a)所示,可以用能带结构解释由PVE主导的光电流出现于接触区域附近的现象。为了探究PVE效应和PTE效应在光电流产生过程中的比重,该工作对晶体管的转移特性曲线进行了详细的分析。如图3(b)所示,当栅压Vg为−15 V~15 V时,沟道电流与源漏电压同方向,并且在电荷中性点附近达到最大值,是明显的PVE效应,此时b-AsP与金属形成的肖特基结在光生载流子的产生过程中占主导作用。而当Vg>15 V时,晶体管表现出了非常弱的栅极依赖性,此时,热驱动过程主导了光响应。与石墨烯不同,b-AsP的高电导率和低热导率使得其光电流主要归因于热驱动过程而不是辐射热效应。
图 3 (a) 不同栅压下器件能带图;(b) 不同偏置下光电流与栅压的关系;(c) b-AsP/MoS2异质结;(d) bP/MoS2能带图;(e) 3 μm时bP、MoS2厚度对吸光率的影响;(f) 不同探测器的比探测率与波长的关系
Figure 3. (a) Energy band diagram of devices under different gate voltages; (b) Photocurrent versus gate voltage at various bias voltages.; (c) b-AsP/MoS2 heterojunction; (d) bP/MoS2 energy band diagram; (e) The influence of bP and MoS2 thickness on absorbance at 3 μm; (f) Wavelength dependence of the specific detectivity(D*) for different photodetectors
在该工作中龙等人进一步通过干法转移的方式实现了b-AsP/MoS2异质结,如图3(c)所示,暗电流有了明显的改善,并展现出整流特性。然后通过mapping分析显示光电流产生于结区而不是肖特基结的位置,证明了结区的形成。异质结的形成使得器件的比探测率进一步得到了提高。比探测率(D*)是红外探测器的一个重要的品质因数,它决定了探测器可以从噪声中区分出光信号的最小照明光功率。D*可以通过如下方程计算:
$${{D}^{*}}={}^{{{\left( AB \right)}^{\frac{1}{2}}}}\!\!\diagup\!\!{}_{NEP}\;$$ (2) 式中:噪声等效功率(NEP)是噪声电流(in)和响应率(R)的比值;A是器件的有效面积;B是器件的带宽。该工作对比了不同红外探测器比探测率,b-AsP/MoS2异质结场效应晶体管在中波的比探测率高于目前商用的锡化铅(PbSe)中红外探测器。在3~5 μm范围内一直大于4.9×109 Jones,即使在8.05 μm的长波光照下,也有大于1.06×108 Jones的高比探测率,这些性能展现了b-AsP在中长波红外光电探测器广阔的前景。
二维材料在形成异质结时,厚度往往会影响结区的性质。这是因为二维材料带隙往往与厚度相关,黑磷(black phosphorus, bP)的带隙随层数增加而减小,在0.3 eV~2 eV进行变化。厚度还会影响吸光率和暗电流,进一步影响红外探测器的性能。如何设计pn结材料的厚度以实现高吸光率与低暗电流的最佳平衡一直是人们研究的热点。Ali等[20]通过实验和模拟相结合的方法,尝试给出一种bP/MoS2异质结在中波红外探测的最佳厚度配比。如图3(d)所示,bP与MoS2一般会形成pn结,相比于单一bP形成的光电晶体管,pn结结构可以有效地降低暗电流。
bP具有各向异性,x方向(armchair方向)和y方向(zigzag方向)原子排布不同导致了其物理性质的不同。Ali等通过实验获得了两种原子排布方向下不同波长吸收率的大量数据,利用传输矩阵进行数据的拟合,提取x与y方向描述复折射率的两个参数,折射率(n)和衰减系数(k),并利用参数进行模拟,得到了如图3(e)所示的bP (x方向)/MoS2异质结不同厚度的吸收率的变化。由拟合图可知,当bP厚度为170 nm,MoS2厚度为0 nm时,此结构的吸光率最强。但为了形成异质结,最佳的厚度应该为150 nm bP与15 nm MoS2形成异质结。这种光学设计,在λ=3 μm处,沿x方向偏振的80%入射光可以被吸收,同时暗电流维持在较低的水平,达到了高吸收率和低暗电流的平衡。进一步,将此工作中的异质结红外探测器与商用红外探测器进行比探测率的对比,如图3(f)所示,其峰值探测率达到了1.1×1010 Jones (3.8 μm)。虽然无法与碲镉汞最佳性能对比,但碲镉汞需低温制冷,而这种新型二维材料红外探测器可工作于室温,对室温/高温工作的中波红外探测是一个很好的补充。需要注意的是,因为bP与b-AsP表面存在孤对电子,易于空气中的氧原子反应发生降解,因此如何实现稳定性是进一步的研究重点。
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除了利用堆叠引入的垂直方向内建电场,二维材料还可以通过设计非对称结构来实现面内横向内建电场以调控沟道性质。这种方法可以减少由于金属与材料接触产生的能带杂化和转移过程中的杂质、缺陷等造成的影响。唐祎程等[21]利用二硒化钨(WSe2)具有双极性的特点,在同一片薄膜材料中形成高质量面内pn结。如图4(a)所示,唐等人首先通过电子束光刻技术,在WSe2样品的部分位置打开窗口,然后将整个样品浸泡在聚乙酰亚胺(PEI)溶液之中。长链聚合物PEI可以包裹在WSe2上,作为电子供体,从而实现长时间的n型掺杂。该工作采用Pd/Au作为空穴收集区,Ti/Au作为电子收集区。如图4(b)所示,当无外加栅压时,只有Pd/Au一侧与n型WSe2形成肖特基结,光生电子-空穴对在此处分离。而当背栅电压提高时,PEI浸泡过的部分还是n型掺杂,能带变化很小,而没有浸泡过的部分则会由于背栅的影响显现出p型半导体的性质。Pd/Au与WSe2接触的部分就会由原来的电子收集区变为空穴收集区,形成良好的欧姆接触,而在沟道中间形成强pn结,如图4(c)所示。在加光时,利用mapping测试证明此时电流产生于沟道而不是Pd/Au区域。唐进一步对器件的电学性能进行了表征,在不同的背栅下测量了电流输出特性曲线,在Vgs=−40 V时获得了最佳整流比。为测得pn结的理想因子,在Vgs=−40 V时,利用pn结电流方程对曲线进行拟合:
图 4 利用PEI实现WSe2部分掺杂;(b) Vgs=0 V能带图;(c) Vgs=−40 V能带图;(d) bP异质结场效应晶体管结构;(e)、(f) 调节VBG和VTG以实现器件开启和关断状态
Figure 4. (a) Partial doping of WSe2 using PEI; (b) Vgs=0 V band diagram; (c) Vgs=−40 V band diagram; (d) Black phosphorus heterojunction field effect transistor structure; (e), (f) Change VBG, VTG to realize the on and off states of the device
$${I_{{\rm{ds}}}} = {I_s}\left( {{{\rm{e}}^{\frac{{qV}}{{nKT}}}} - 1} \right)$$ (3) 式中:Is是反向饱和电流;k是玻耳兹曼常数;q是电子电荷;T为温度,为300 K;n为理想因子,n=1表示在正向偏置下扩散电流为主导的理想pn结器件,n>1表示复合电流存在,主要为杂质复合电流。计算得到此器件的理想因子n=1.66,比之前所报道的利用WSe2形成的pn结结构更加优异。在光电探测方面,此结构同样展现了优异的性质。由于pn结的形成,器件的暗电流维持在一个很低的水平(≈10−13 A),在1000 nm的近红外下也有较明显的响应(≈10−12 A)。
通过面内成结还可以显著改善器件的功耗。当栅极电压小于阈值电压,且半导体表面仅为弱反型时,相应的漏级电流称为亚阈值电流。亚阈值摆幅(subthreshold swing, SS)是衡量亚阈值区域电流的一个重要指标,定义为:
$$SS = \frac{{{\rm{d}}{V_G}}}{{{\rm{d}}\left( {\log {I_D}} \right)}}$$ (4) 由于金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)热离子注入的限制,亚阈值摆幅在室温下不能低于60 mV/dec。当今器件往小型化、低功耗方向发展,减少SS值对于降低器件的待机功率、开关转换功率至关重要。虽然已经有理论证明了通过设计异质结隧穿场效应晶体管可以使SS值突破60 mV/dec,但是由于不同材料表面的缺陷、氧化物、晶格失配等界面问题影响了异质结隧穿场效应晶体管的质量,SS值难以实现突破。Seungho Kim等[22]提出了通过在bP面内实现能带调控,进而实现带间隧穿。如图4(d)所示,区域(ⅰ)为厚层bP,能带较窄,区域(ⅱ)、(ⅲ)为单层bP,区域(ⅲ)单层bP的上方有一层石墨烯用来调节其能带结构。通过调节VTG、VD、VBG的电压可以实现对三个区域能带结构的分别调控。如图4(e)所示,当VBG较大时,器件为on态,由于区域(ⅰ)的价带顶高于区域(ⅱ)导带底,且能带结构陡峭,会在区域(ⅰ)与(ⅱ)之间发生带间隧穿。价带顶的电子隧穿至导带底,导致器件出现了很大的开态电流。而当VBG较小时,区域(ⅰ)与(ⅱ)之间能带比较缓和,不会出现带间隧穿,电流值维持在较低的水平。其中三角形的斜边是当SS值为60 mV/dec的斜率,是理论上MOSFET的SS的最小值。此器件的亚阈值摆幅明显小于MOSFET的最小值,通过计算达到了24 mV/dec。与调节VBG类似,调节VTG同样可以实现器件的开态和关态,如图4(f)所示。但是此时区域(ⅲ)需要在VD的调控下,使bP显现出弱p型的性质。此时的SS值为23.7 mV/dec,同样明显低于60 mV/dec。两种模式下超低的SS值证明此器件可突破MOSFET机理的限制,实现更低功耗工作。
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多色探测技术由于能获取多波段的信息从而提高复杂环境下的分辨能力而受到了极大的关注,在遥感、矿产勘查、生物医学、救援等领域得到了广泛的应用。其中,双色探测技术一直是国内外研究的重点。在过去的几十年间,通过引入量子点、超晶格等新材料已经在此方面实现了巨大的进步。二维材料优秀的光电性质也使得它也成为具有潜力的双色探测的候选者之一。王鹏等[25]通过利用分子外延技术(MBE)采用逐层外延的生长方式,在n型GaSb衬底上直接沉积了晶片尺寸的多层GaSe,形成垂直异质结结构,实现二维材料双波段探测的阵列结构,如图6(a)所示。为了更好地理解垂直异质结的形成,王等人利用第一性原理在GaSb衬底上生长二维材料GaSe进行模型仿真,并模拟氢原子进行钝化,通过最小化Hellmann-Feynman力使GaSb和GaSe表面松弛。通过计算表明GaSe和GaSb衬底的电子重合程度可忽略不计,这与测得的GaSe-GaSb之间微弱的相互作用力对应。此外,Raman光谱表示在异质结中存在两种材料的特征峰,表明二维材料异质结通过范德华力相结合。
图 6 (a) GaSe/GaSb垂直异质结面阵;(b) 光谱分辨光响应谱;(c) 异质结双波段成像结果
Figure 6. (a) GaSe/GaSb vertical heterojunction area array; (b) Spectral-resolved light response spectrum; (c) Heterojunction dual-band image
该工作利用8 μW超连续白光作为激发光源进行了光谱分布光电流扫描测试,得到了异质结光电探测器响应光谱范围和响应率分布,结果如图6(b)所示。由于GaSb和GaSe都具备高效率吸收的特点,因此在两者共同的吸收区内是光电流的叠加。而在红外区域,由于光子能量小于GaSe带隙,光电流全部由GaSb产生。接着,为了更好地展现GaSe-GaSb在实际应用中的优越性,研究还利用掩膜版设计了间距为0.5 mm的周期间距的线列探测器,通过调整阵列中每个单元的信号放大倍数,尽可能的保证每个单元器件的光敏元响应趋于一致。然后用此异质结器件代替相机的CCD,通过一维推扫的方式实现对辐射目标U形管的成像。最后,该工作进一步证明了此异质结构的双色探测的应用潜力,如图6(c)所示。通过分束镜(透射∶反射=1∶1)将光束分路,利用红外带通滤波片和可见光带通滤波片(两个滤光片光谱隔断点在780 nm),实现了可见光(左侧)和红外光(右侧)成像。图6(c)可以明显的观察到加热的U型目标的成像,显示了GaSe-GaSb双波段探测的潜力。
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偏振包含了物体方位、粗糙程度等关键信息,偏振红外成像系统对于天文学、生物诊断、国家安全和工业应用的发展具有重要意义。部分二维材料因其各向异性明显,已经展露出了在偏振光成像领域良好的潜力。叶镭等[26]利用二维晶体碲烯(Te)构造光导性红外探测器,实现了室温中红外偏振成像。Te烯是一种各向异性窄带隙半导体,在可见光到中红外(0.5~3.0 μm)都有着较强的光-物质相互作用。叶等人利用液相法制备了厚度为27 nm的二维材料Te烯及其晶体管。在3.0 μm波长红外光的辐照下,器件响应率为3.54×102 A·W−1,比探测率为3.01×109 Jones,展现了优异的中波红外探测性能,这得益于Te烯的室温高迁移率和短沟道长度。此外,位于Te烯晶体内部的缺陷也可以通过带尾光生载流子的浅态来贡献光电导增益。研究还发现在不同栅压下,用不同光功率的光照射,器件在5.9 eV的中性点栅压下均可实现最大净光电流,表明了器件的光响应不是由于photogating效应而引起的。进一步,该工作对器件在不同偏振方向入射光下的光电流进行了表征,发现即使是光电流最弱的偏振方向(0°和180°),器件依然有着明显的光电流。在520 nm和1.55 μm光照下,各向异性比可达到2.55和2.39,并且在2.3 μm的光照下,获得了7.58的各向异性比,表示此器件拥有在不借助偏振片的情况下实现偏振成像应用的潜力。最后,叶等人进一步研究了Te烯红外探测器单元器件的二维扫描成像及其偏振成像。如图7(a)所示,照射到光电探测器上的信号近似于线偏振光,通过旋转光电探测器可以收集不同方向的偏振光电流以计算DoLP值。
图 7 (a) 成像目标示意图;(b) 波长为1.55 μm的光对非偏振2H-MoTe2器件和Te烯光电探测器的DoLP成像结果进行比较;(c) 波长为2.3 μm光照射下Te烯光电探测器成像结果
Figure 7. (a) Schematic diagram of imaging target; (b) Comparison of DoLP imaging results of unpolarized 2H-MoTe2 device and Te photodetector under the light of 1.55 μm wavelenth; (c) The imaging results of Te photodetector under the light of 2.3 μm wavelength
$$DoLP = \frac{\sqrt {{S_1^2}+{S_2^2}} } {{{S_0}}}$$ (5) $${S_0} = {I_{{0^ \circ }}}\left( {{{x,y}}} \right){\rm{ + }}{I_{{{90}^ \circ }}}\left( {{{x,y}}} \right)$$ (6) $${S_1} = {I_{{0^ \circ }}}\left( {{{x,y}}} \right){\rm{ - }}{I_{{{90}^ \circ }}}\left( {{{x,y}}} \right)$$ (7) $${S_2} = {I_{{\rm{4}}{{\rm{5}}^ \circ }}}\left( {{{x,y}}} \right){\rm{ - }}{I_{{\rm{13}}{{\rm{5}}^ \circ }}}\left( {{{x,y}}} \right)$$ (8) 式中:
$ {I}_{\theta }(x,y) $ 是指在θ角度检测到的极化强度。对于传统焦平面分光计结构,需要至少四个像素单元来获得DoLP的值。意味着一幅m×n的偏振图像,需要一个2m×2n的面阵器件。而对于Te烯光电探测器,单像素就足以检测一个DoLP的数据,即仅仅m×n的面阵器件就可以获取m×n的DoLP偏振图像。在实际应用中,可以通过更少的像素单元来实现传统焦平面分光计结构同样的分辨率,从而更容易实现更高分辨率的成像。为了显示Te烯偏振光电探测器的优势,将其与无偏振能力的2H相MoTe2的偏振成像进行对比,结果如图7(b)所示,Te烯偏振光电探测器在计算DoLP后显示出了更好的对比度。而在2.3 μm波长,1 mW的光照射下,成像结果如图7(c)所示,展现了Te烯二维半导体在中波红外的偏振探测能力。最后,部分新型二维半导体材料红外探测器领域所取得的前沿进展如表1所示。
表 1 二维材料红外探测器性能总结
Table 1. Summary of performance of two-dimensional material infrared detectors
Materials Wavelength/nm R/A·W−1 D* /Jones QE Time(Rise/down) Bias/V Other Ref. MoS2/PVDF 500-1550 $ 2570 $ $ {\rm{2}}{\rm{.2}} \times {10}^{12} $ $ 1.8 \;{\rm{ms}}/2.0\;{\rm{ms}} $ $ 0.1 $ [17] ZnO/PVDF $ 375$ $ 3.8 \times {10^5}$ $ {\rm{4}}{\rm{.4 \times }}{10^{15}}{\rm{}}$ $ 280{\rm{}}\;{\rm{ms}}/440\;{\rm{ms}}$ $ 1$ [18] b-AsP 2400-8050 $ 0.18$ 6.1% $ 0.54\;{\rm{ms}}/{\rm{}}0.52\;{\rm{ms}}$ 0 [19] b-AsP/MoS2 $ 0.2161$ $ {\rm{9}}{\rm{.2 \times }}{10^9}$ 11.36% 0 [19] WSe2 500-1000 $ 0.08$ 20% $ 200\;{\rm{{\text{μ}} s}}/{\rm{}}16\;{\rm{{\text{μ}} s}}$ 0 [21] AsP/MoS2 $ 520$ 71% $ 9\;{\rm{{\text{μ}} s/5}}\;{\rm{{\text{μ}} s}}$ 0 [23] MoS2 300-800 24% (Absorption) [24] GaSe/GaSb 400-1 800 $ 0.115$ $ {\rm{2}}{\rm{.2 \times }}{10^{12}}$ 50% $ 32\;{\rm{{\text{μ}} s/24}}\;{\rm{{\text{μ}} s}}$ 0 Dual-band detection [25] Te 520-3000 354 $ {\rm{3}}{\rm{.01 \times }}{10^9}$ $48.7\;{\rm{ {\text{μ} } s/62.7} }\;{\rm{ {\text{μ} } s} } $ Polarization imaging [26] WSe2(CVD) 500-900 3.5×105 1×1014 23 ms 2 [27] WSe2/SnS2 400-900 244 1.29×1013 13 ms/24 ms −1 [28] MoS2/b-p 532-1550 22.3 3.1×1011 15 μs/70 μs 3 [29] MoS2/Graphene/WSe2 400-2400 1×104 1×1015 53.6 μs/30.3 μs 1 [30]
Research progress of two-dimensional semiconductor infrared photodetector (Invited)
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摘要: 红外探测在生物医疗、智慧城市、宇宙探索等前沿领域中有着重要的作用。近年来,以二维材料为代表的新型纳尺度半导体并以此形成的具有颠覆性意义的光电探测技术在探测灵敏度、极低暗电流、高工作温度等指标超越了传统薄膜器件的理论极限,是新一代红外光电探测技术有力竞争者之一。文中以局域场调控实现室温高性能光电探测为出发点,介绍了铁电局域场、层间内建电场、面内内建电场调控二维材料光电探测机理与器件实现方法;进一步,针对二维材料其尺寸效应引起的光利用率低或量子效率低的问题,提出了单边异质结和表面等离子激元增强结构的光电性能增强方法;最后列举了二维半导体材料在红外探测器领域的应用探索,展现了新型二维半导体红外探测器的应用潜力与前景,为新一代红外探测器技术提供了新方法和新思路。Abstract: Infrared detection plays an important role in cutting-edge fields such as biomedicine, smart cities, and space exploration. In recent years, a new type of nanoscale semiconductor represented by two-dimensional materials is one of the candidates for a new generation of infrared photodetection technology. This is due to the fact that some index of two-dimensional materials device have exceeded the theoretical limits of traditional thin-film devices, such as detection sensitivity, ultralow dark current, high working temperature, etc. Two dimensional materials can easily be controlled by local field. In this review, the mechanism of three local fields to achieve high performance at room temperature were introduced in the first part, including ferroelectric local field, the interlayer built-in electric field, and the in-plane built-in electric field. Secondly, we introduced the photoelectric enhancement methods of unilateral depletion heterojunction and surface plasmon structure to solve the problem of low quantum efficiency and low light absorption caused by atomic thin effect of two-dimensional materials. Finally, we showed some applications of two-dimensional materials in infrared photodetection field. The exploration reveals the potential and prospect of the novel two-dimensional semiconductor in the field of infrared photodetection, which provides some new methods and ideas for the new generation infrared detector technology.
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Key words:
- two-dimensional materials /
- infrared photodetector /
- local electric field /
- SWaP3
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图 2 (a)、(b)、(c) Vds=0 V时,不同铁电极化态器件截面结构和平衡能带图;(d) 不同极化状态下MoS2的光电流;(e) 对数坐标下ZnO转移特性曲线;(f) 铁电局域场增强ZnO纳米片光探测器的时间分辨光响应特性
Figure 2. (a), (b), (c) When Vds=0 V, the cross-sectional structure and equilibrium energy band diagram of different ferroelectric polarization state devices; (d) MoS2 photocurrent in different polarization states; (e) ZnO transfer characteristic curve under numerical coordinates; (f) Time-resolved optical response characteristics of ferroelectric local field enhanced ZnO nanosheet photodetector
图 3 (a) 不同栅压下器件能带图;(b) 不同偏置下光电流与栅压的关系;(c) b-AsP/MoS2异质结;(d) bP/MoS2能带图;(e) 3 μm时bP、MoS2厚度对吸光率的影响;(f) 不同探测器的比探测率与波长的关系
Figure 3. (a) Energy band diagram of devices under different gate voltages; (b) Photocurrent versus gate voltage at various bias voltages.; (c) b-AsP/MoS2 heterojunction; (d) bP/MoS2 energy band diagram; (e) The influence of bP and MoS2 thickness on absorbance at 3 μm; (f) Wavelength dependence of the specific detectivity(D*) for different photodetectors
图 4 利用PEI实现WSe2部分掺杂;(b) Vgs=0 V能带图;(c) Vgs=−40 V能带图;(d) bP异质结场效应晶体管结构;(e)、(f) 调节VBG和VTG以实现器件开启和关断状态
Figure 4. (a) Partial doping of WSe2 using PEI; (b) Vgs=0 V band diagram; (c) Vgs=−40 V band diagram; (d) Black phosphorus heterojunction field effect transistor structure; (e), (f) Change VBG, VTG to realize the on and off states of the device
图 5 (a) MoS2/AsP器件结构图;(b) MoS2/AsP单边异质结能带图;(c) 暗态和520 nm光照下响应曲线;(d) 用Au纳米颗粒修饰的少层MoS2 光电晶体管示意图;(d) 不同纳米尺寸金颗粒对光的吸收;(e) 不同波长下金纳米板修饰后与不加纳米板的少层MoS2光电流
Figure 5. (a) MoS2/AsP device structure diagram; (b) MoS2/AsP unilateral heterojunction band diagram; (c) Response curve under dark state and 520 nm laser irradiation; (d) Few layers modified with Au nanoparticles schematic diagram of MoS2 phototransistor; (d) Absorption of light by gold particles of different nano-sizes; (e) Photocurrent of few layers of MoS2 modified with gold nanoplates and without nanoplates at different wavelengths
图 7 (a) 成像目标示意图;(b) 波长为1.55 μm的光对非偏振2H-MoTe2器件和Te烯光电探测器的DoLP成像结果进行比较;(c) 波长为2.3 μm光照射下Te烯光电探测器成像结果
Figure 7. (a) Schematic diagram of imaging target; (b) Comparison of DoLP imaging results of unpolarized 2H-MoTe2 device and Te photodetector under the light of 1.55 μm wavelenth; (c) The imaging results of Te photodetector under the light of 2.3 μm wavelength
表 1 二维材料红外探测器性能总结
Table 1. Summary of performance of two-dimensional material infrared detectors
Materials Wavelength/nm R/A·W−1 D* /Jones QE Time(Rise/down) Bias/V Other Ref. MoS2/PVDF 500-1550 $ 2570 $ $ {\rm{2}}{\rm{.2}} \times {10}^{12} $ $ 1.8 \;{\rm{ms}}/2.0\;{\rm{ms}} $ $ 0.1 $ [17] ZnO/PVDF $ 375$ $ 3.8 \times {10^5}$ $ {\rm{4}}{\rm{.4 \times }}{10^{15}}{\rm{}}$ $ 280{\rm{}}\;{\rm{ms}}/440\;{\rm{ms}}$ $ 1$ [18] b-AsP 2400-8050 $ 0.18$ 6.1% $ 0.54\;{\rm{ms}}/{\rm{}}0.52\;{\rm{ms}}$ 0 [19] b-AsP/MoS2 $ 0.2161$ $ {\rm{9}}{\rm{.2 \times }}{10^9}$ 11.36% 0 [19] WSe2 500-1000 $ 0.08$ 20% $ 200\;{\rm{{\text{μ}} s}}/{\rm{}}16\;{\rm{{\text{μ}} s}}$ 0 [21] AsP/MoS2 $ 520$ 71% $ 9\;{\rm{{\text{μ}} s/5}}\;{\rm{{\text{μ}} s}}$ 0 [23] MoS2 300-800 24% (Absorption) [24] GaSe/GaSb 400-1 800 $ 0.115$ $ {\rm{2}}{\rm{.2 \times }}{10^{12}}$ 50% $ 32\;{\rm{{\text{μ}} s/24}}\;{\rm{{\text{μ}} s}}$ 0 Dual-band detection [25] Te 520-3000 354 $ {\rm{3}}{\rm{.01 \times }}{10^9}$ $48.7\;{\rm{ {\text{μ} } s/62.7} }\;{\rm{ {\text{μ} } s} } $ Polarization imaging [26] WSe2(CVD) 500-900 3.5×105 1×1014 23 ms 2 [27] WSe2/SnS2 400-900 244 1.29×1013 13 ms/24 ms −1 [28] MoS2/b-p 532-1550 22.3 3.1×1011 15 μs/70 μs 3 [29] MoS2/Graphene/WSe2 400-2400 1×104 1×1015 53.6 μs/30.3 μs 1 [30] -
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