基于二维半导体的光电二极管在光电子器件开发中具有潜在用途，但其光伏效率受到金属-半导体接触处强烈的费米能级钉扎的限制。典型的金属-中间层-半导体接触可以解决这一问题，但也可能导致串联电阻增加。在本研究中，报道了
一种导电桥中间层接触，既能实现费米能级解钉扎，又具有低电阻。
构建了一个氧化物中间层，将金属和半导体解耦，而嵌入中间层的金纳米簇作为导电路径，
促进了高效的电荷传输。利用这些接触，制造了一种二硫化钨（WS₂）光电二极管，其光电响应度为0.29 A/W，线性动态范围为122 dB，光电转换效率为9.9%。该方法还为探测光载流子动力学提供了一个平台，发现接触复合显著影响光伏性能。此外，还展示了使用这种导电桥中间层接触的光电二极管作为全彩二维和三维成像器件的潜力。
1. 导电桥中间层接触（CBIC）的制备
图案化与金属沉积：使用电子束光刻技术对CBIC电极进行图案化。在光刻胶显影后，依次通过溅射沉积低功函数金属（如Al、Ti、Cr、Cu，厚度约20 nm）和金（Au，名义厚度1 nm），整个过程在真空中完成，以避免金属氧化。
氧化处理：将沉积后的样品暴露在大气中，自然氧化形成约5 nm厚的氧化层。该氧化层作为物理隔离层，用于解耦金属与半导体之间的相互作用，从而抑制费米能级钉扎。
剥离与清洗：使用丙酮进行剥离处理，并用异丙醇清洗样品，以去除残留的光刻胶和其他杂质。
2. 氯掺杂的锡硒化物（Cl–SnSe₂）的合成
化学气相输运法：按照化学计量比混合Sn、Se和SnCl₂粉末，并将其置于反应炉中。反应过程分为两步：
将混合物加热至250°C，持续24小时。
在400°C下退火48小时，最后在750°C下熔化24小时并缓慢冷却至室温。
产物特性：合成的Cl–SnSe₂（化学式为SnSe₁.₉₈Cl₀.₀₂）具有理想的能带对齐特性，可作为透明导电电极，支持顶部照明操作。
3. 光电二极管的制备
基底与材料转移：
将预制备的CBIC电极加载到SiO₂基底上。
使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，依次将WS₂（厚度约40–50 nm）和Cl–SnSe₂（厚度约5–10 nm）转移到预图案化的CBIC上。
电极制备：通过溅射沉积Ti（1 nm）和Au（30 nm）作为接触电极，用于后续的电学测量。
器件结构：最终器件为垂直结构，WS₂作为吸收层，CBIC和Cl–SnSe₂分别作为底部和顶部电极。
1. 导电桥中间层接触（CBIC）的提出
背景问题：
传统的金属-半导体接触中，费米能级钉扎现象严重限制了二维半导体光电二极管的光伏效率。虽然金属-中间层-半导体（MIS）接触可以部分解决这一问题，但会导致串联电阻增加，从而降低器件性能。
创新设计：
研究者提出了一种新型的导电桥中间层接触（CBIC），通过在氧化物中间层中嵌入金纳米簇（Au nanoclusters），既实现了费米能级解钉扎，又保持了低电阻特性。这种设计巧妙地利用了Au纳米簇作为导电路径，促进了电荷的有效传输。
2. 无费米能级钉扎的实现
技术手段：
通过在金属表面自然氧化形成一层薄的氧化物（如AlOx），解耦了金属与半导体之间的直接接触，从而抑制了金属诱导的能隙态（MIGS）和缺陷诱导的能隙态（DIGS）。
实验验证：
通过X射线光电子能谱（XPS）和密度泛函理论（DFT）计算，证实了Au纳米簇在中间层中诱导的能隙态可以有效促进电荷传输，从而实现费米能级解钉扎。实验中，CBIC的功函数（WF）与金属的功函数高度一致，表明费米能级钉扎被显著抑制。
3. 高性能二维光电二极管的制备
器件结构：
基于CBIC技术，研究者制备了垂直结构的WS₂光电二极管，其中WS₂作为吸收层，CBIC和Cl–SnSe₂分别作为底部和顶部电极。
性能提升：
光电响应度：
实现了0.29 A/W的高光电响应度。
线性动态范围：
达到了122 dB的宽线性动态范围，优于以往报道的二维光电二极管。
光电转换效率：
实现了9.9%的高光电转换效率，与传统MIS接触相比，性能显著提升。
4. 光载流子动力学的深入研究
实验平台：
CBIC技术为研究光载流子动力学提供了一个理想的平台。研究者发现，接触复合（contact recombination）对光伏性能有显著影响，尤其是在高功函数接触中。
理论支持：
通过数值模拟和实验验证，揭示了不同功函数的CBIC对光生载流子提取效率的影响，为优化器件性能提供了理论依据。
5. 全彩二维和三维成像的应用展示
成像系统搭建：
研究者利用CBIC集成的WS₂光电二极管构建了全彩3D成像系统，展示了其在高分辨率成像中的潜力。
成像性能：
高对比度成像：
通过反射型成像系统，CBIC光电二极管能够清晰识别目标物体，显著优于传统的MIS接触。
3D成像能力：
通过光学透镜阵列重建3D图像，展示了CBIC光电二极管在全彩3D成像中的实际应用潜力。
6. 普适性和可扩展性
金属选择的多样性：
CBIC技术适用于多种金属（如Al、Ti、Cr、Cu），通过改变金属种类可以调节功函数，从而优化器件性能。
材料的普适性：
该技术不仅适用于WS₂，还可以扩展到其他二维半导体材料（如ReS₂、MoS₂、WSe₂），展示了其在二维光电子器件中的普适性。
7. 低电阻和无费米能级钉扎的双重优势
技术突破：
CBIC技术同时实现了低电阻和无费米能级钉扎，克服了传统MIS接触中电阻与功函数调节之间的权衡问题。
性能优化：
通过减少串联电阻，CBIC显著提高了器件的动态范围和光伏性能，为二维光电子器件的高性能化提供了新的解决方案。
提出了一种用于
创建低电阻、无钉扎效应接触的导电桥中间层方法。
该接触结构包含一个嵌入金纳米簇的氧化物中间层，这些金纳米簇形成了导电路径，从而实现了跨中间层的高效电荷传输。采用CBIC（导电桥中间层接触）的WS₂肖特基光电二极管在宽动态范围内展现出了优异的光伏性能。此外，还利用这一技术研究了接触处的光载流子动力学，揭示了肖特基势垒如何决定光伏性能。最终，展示了基于CBIC集成光电二极管的全彩二维和三维成像应用。本研究实现了低电阻、无钉扎效应的接触，为高效光电器件的发展提供了一种可广泛应用于高功函数金属的MIS（金属-中间层-半导体）接触制备方法。
图1 | CBIC的概念。 a，对拟议的和传统接触体系结构的比较：（i）金属 - 血管导向器（MS）接触； （ii）MIS接触和（iii）CBIC。 有效的载体提取可以通过CBIC中的导电途径进行，这是常规MIS接触中不存在的特征。 B，通过顺序溅射沉积的CBIC制造过程的示意图。 C，完整设备的示意图（上）和光学图像（下），其中WS2吸收器夹在CBIC -AL和CL -SNSE2电极之间。 D，E，与Au（d）和无AU（e）的CBIC – AL上的CAFM测量值。 f，g，d（f）和e（g）的相应CAFM电流图（上）和电流线轮廓（下）。 导电途径用白色箭头表示。 当前的线轮廓数据沿着虚线的红线获取。 导电路径由红色箭头指示。 H，WS2和CBIC-AL之间接触的横截面茎图像。 请注意，底部WS2层附近的明亮斑点可能是聚焦离子束铣削后的残留层间颗粒。 i，H中选定区域的茎图像变大，清楚地揭示了Au纳米群体在Alox Interlayer中的均匀分布。
图2 | CBIC的表征。 A，各种CBIC的KPFM图像。 b，从a中指定区域获得的CBIC的WF分布。 阴影条纹表示从文献中获取的原始金属的WFS8,19。 C，CBIC – AL整合之前和之后WS2的XPS光谱。 d，示意图（上）和光门图像（下部）的顶部门控WS2晶体管，该晶体管用CBIC制造而成。 E – H，具有CBIC – AL（E），Ti（f），Cr（G）和Cu（H）的WS2设备的温度依赖性转移曲线在VDS = 1 V. I，载体极性，阈值电压（VT） 以及针对不同CBIC的电子场效应迁移率（μE）。 所有误差线代表平均值±标准偏差（S.D.）（每种情况至少使用六个设备）。 J，每次接触的有效屏障高度与门电压的关系。 SBH在平坦带电压条件下估计（VGS = VFB），这对应于与线性趋势的偏差。 K，估计不同触点的SBH。 从线性拟合中提取CBIC的S值，并用红色虚线表示。
图3 | CBIC集成2D光电探测器的特征。 A，本研究中使用的材料的CBIC集成2D WS2光电探测器（上）和能级图（下）的示意图。 b – d，I – V的不同接触配置的二极管特性：PD | WS2 | CBIC – AL（B），Cl – SnSE2 | WS2 | CBIC – CU（C）和Cl – SnSE2 | WS2 | CBIC – AL（D ）。 E，对于不同的触点，I1.5V（IDS为V = 1.5 V）和I -1.5V（v = -1.5 V的IDS）之间的当前整流比（IDS IDS）。 误差线中的中心线表示中位数，而上限和下限表示第25％和第75个百分位数之间的范围（统计中的每种情况至少使用了七个设备）。 F，I – V曲线在532 nm激光照明下测量的代表性CBIC - ALE设备，功率密度从4.3μwcm -2到5.4 w cm -2不等。 g，短路（v = 0 v）光电流作为光密度的函数。 设备的估计LDR大于120 dB。 h，与不同接触的设备LDR的比较。 与MIS设备相比，CBIC设备通常显示出更高的LDR。 i，响应性和特定探测率是光密度的函数。 J，归一化的光响应是调制频率的函数，显示了超过100 kHz的-3 dB截止频率。 插图：时间分辨光响应的图分别显示出4.21和3.95μs的估计上升和下降时间。
图4 | CBIC集成2D光伏电池的特征。 A，CBIC集成的2D WS2光伏电池的示意图。 B，设备的光电图（左）和相应的光电流图（在V = 0 V）。 CBIC -AL和CL -SNSE2电极分别用虚线和实线表示。 C，CBIC - AL和MIS -AL设备的J – V曲线，在光照射下测量（532 nm，44 MW cm -2）。 D，具有不同CBIC的设备的光伏参数的统计分布（每种情况至少使用七个设备）。 该分布在盒子和旋风图中表示（框，中位数中的线；盒子限制，标准偏差；晶须，1.5个异常值）。 JSC，短路电流密度。 E，VOC的情节是光强度的函数。 使用CBIC – AL可以减轻接触重组并促进电子提取，从而达到高VOC。 F，填充因子（FF）的图作为光强度的函数。 G，H，在黑暗和光照明条件下，具有CBIC – CU（G）和CBIC -AL（H）的设备的模拟带图。 G中的红色虚线箭头表示电子和孔的接触重组。 插图：黑色虚拟矩形的放大景色显示出可忽略的电子屏障20 MeV。
图5 | 使用CBIC集成图像传感器进行全彩3D成像。 A，3D积分成像方法的原理。 B，使用CBIC – AL设备作为单像素成像仪的3D成像系统的示意图和照片。 C，各种波长（650、550和450 nm，左）的空间光电流图像以及相应的全彩图像（右），从MIS-AL（TOP）和CBIC - AL（底部）设备获取。 D，不同波长的MIS – AL和CBIC - al设备的光电流分布：650 nm（左），550 nm（中间）和450 nm（右）。 高斯配件由实线表示。 E，全彩元图像（顶部）和光学重建的3D图像（底部），清楚地描绘了带有白色字母P的3D对象。
文献：Conductive-bridge interlayer contacts for two-dimensional optoelectronic devices
https://doi.org/10.1038/s41928-025-01339-9
