ACS Appl. Mater. Interfaces：基于Si/SOI晶圆键合的自供电宽带PtSe2/Si Pin红外探测器

低维昂维 · 公众号 · 科技自媒体 · 2025-01-10 13:36

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成果介绍

在TMDs大家族中，二硒化铂（PtSe ₂ ）被认为是制备高性能红外光电探测器的理想材料之一，其0-1.2 eV的层间可调带隙可随薄膜厚度变化实现从半导体到半金属的转换，吸收光谱覆盖可见光到中红外波段。目前市面上报道的大多数2D-3D结合的器件均为pn异质结器件，采用的衬底为轻掺杂或者重掺杂的n型衬底，既作为光吸收层，又作为载流子传输层，极大地影响载流子在n型体材料中的有效传输。同时二维材料与轻掺杂或者重掺杂的n型衬底的接触界面存在较多的缺陷，光生载流子在界面分离时存在较严重的复合损失，从而导致光电流与光功率之间的拟合值 θ 无法达到理想状态。光电探测器的结构设计和界面优化是实现高稳定性、接近理想状态以及宽光谱红外探测亟待解决的关键问题。

近期，闽南师范大学柯少颖教授团队首次将晶圆键合技术与二维材料转移技术相结合成功构建了PtSe ₂ /i ^- -Si/n ⁺ -Si pin宽带高稳定性的红外光电探测器。采用疏水直接键合的方法实现了无气泡、高强度、无界面氧化层的n ⁺ -Si/SOI键合。通过研磨腐蚀成功在n ⁺ -Si上剥离出高质量、超纯净的i-Si本征层，并将p-PtSe ₂ 转移到i-Si/n ⁺ -Si结构上制备出新型的p-PtSe ₂ /i-Si/n ⁺ -Si pin光电探测器，该器件在室温下可以实现532-2200 nm的宽光谱探测，整流比高达2.1×10 ⁵ 。入射光功率在3.5 mW范围内光电流与光功率的拟合值 θ 为1。响应度和比探测率几乎不呈现功率依赖性，约为46.5 mA W ^-1 和1.94×10 ¹¹ Jones，表现出优异的稳定性。同时理想因子n低至1.2，接近于理想状态。激活能约为0.52 eV，接近Si带隙的一半，表明器件中载流子输运机制为复合机制。本研究提出了一种新型的2D-3D集成光电探测器制备工艺，为二维材料光电器件的研究提供了新的思路。

图文导读

图1. Si/SOI晶圆键合及 PtSe ₂ /i ^- -Si/n ⁺ -Si pin光电探测器制备流程图。

图2. Si/SOI晶圆键合表征。

图3. 高质量单一取向性PtSe ₂ 薄膜表征。

图4. PtSe ₂ /i ^- -Si/n ⁺ -Si pin器件光电学性能测试。

图5. PtSe ₂ /i ^- -Si/n ⁺ -Si pin器件主要性能参数。

图6. pin光电探测器红外成像结果。

文献信息

Stable Self-Powered Broadband PtSe ₂ /Si Pin Infrared Photodetector Based on a High-Quality Ultrapure Intrinsic Si Film Exfoliated by Si/ SOI Wafer Bonding

( ACS Applied Materials & Interfaces , 2025, DOI: 10.1021/acsami.4c17831

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c17831

ACS Appl. Mater. Interfaces：基于Si/SOI晶圆键合的自供电宽带PtSe2/Si Pin红外探测器

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