该文章介绍了一种基于G-WSe₂-PtSe₂范德华异质结构的单极性势垒光电探测器，该器件展现出创纪录的高光开关比、高能量转换效率，以及超快的光响应速度。器件具有超宽带探测能力，可应用于非制冷长波红外探测，并实现了高信噪比的信息传输。
设计了一种基于G-WSe₂-PtSe₂ nBn范德华异质结构的单极性势垒光电探测器，具有创纪录的高光开关比（约10^9）和超快的光响应速度（上升时间τr = 699 ns，衰减时间τd = 452 ns）。
突破了传统块体材料的限制，使用二维层状材料构建的范德华异质结构实现了单极性势垒探测器，具有广泛调节带隙的能力。
该研究成果已发表在Advanced Science期刊上，文献链接提供在文中。
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【研究背景】
单极性势垒允许一种载流子自由流动而阻挡另一种载流子，这种特性可用于抑制暗电流，从而使红外光电探测器能够在室温下工作。利用单极性势垒阻挡暗电流而不影响光电流流动的光电探测器主要包括两种类型：nBn型（n型吸收层、势垒层和n型接触层）和pBp型（p型吸收层、势垒层和p型接触层），其中势垒层分别被设计用来阻挡多数载流子电子和空穴。通过精心设计能带匹配，单极性势垒异质结构可以在导带或价带形成较大的带阶以阻挡多数载流子，同时在另一能带保持零带阶。由于HgCdTe和InAsSb可通过调节合金成分来广泛调节带隙，单极性势垒在非制冷长波红外探测中展现出巨大潜力。然而，对于这些传统块体材料，复杂的外延生长工艺、晶格失配导致的界面缺陷不可避免，以及较小的少数载流子势垒会阻碍光电流，这些问题都制约着高性能单极性势垒光电探测器的发展。幸运的是，使用二维层状材料构建的范德华异质结构单极性势垒探测器可以突破晶格匹配的限制。基于二维材料，已经实现了从紫外到长波红外的高性能宽带光响应。
在窄带隙红外光电探测器的应用中，通常需要低温环境来降低器件的暗电流，但这一过程容易受到Auger
产生-复
合（GR）和Shockley-Red Hall（SRH）过程的限制，且在低温下难以手动操作。这给探测器在实际应用场景中的使用和探测带来了相当大的困难。为实现非制冷长波红外光电探测，必须有效抑制暗电流。单极性势垒nBn异质结构可以有效降低Auger GR和SRH过程的影响。由于二维层状材料没有悬挂键且不受晶格匹配限制的特性，可以设计具有单极性势垒能带排列的范德华异质结构，表面泄漏电流也得到进一步降低。在大多数光导型探测器中，暗电流过大会湮没光电流或降低响应速度。此外，光导型探测器需要偏压工作。因此，无需外力驱动的自供能探测器将成为未来的研究趋势。PtSe
2
是一种具有高迁移率和优异红外探测能力的窄带隙半导体，可用作红外吸收材料。
鉴于此，
安徽大学龙明生教授，单磊教授和韩涛团队合作发表了题为“Unipolar Barrier Photodetectors Based on Van Der Waals Heterostructure with Ultra-High Light On/Off Ratio and Fast Speed”的文章在Advanced Science期刊上。
该工作设计了一种基于G-WSe
2
-PtSe
2
范德华异质结构的单极性势垒nBn光电探测器。该器件展现出创纪录的高光开关比（约10⁹）和超快光响应速度（上升时间τ
r
= 699 ns，衰减时间τ
d
= 452 ns）。WSe
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和PtSe
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之间较大的导带带阶ΔE
c
和较小的价带带阶ΔE
v
使得设计单极性势垒nBn光电探测器成为可能。
【图文导读】
图 1. 单极性势垒光电探测器的能带图和暗电流。a) 激光照射下施加偏压时nBn异质结构的示意能带图。插图：电子势垒结的平带条件。b) nBn单极性势垒光电探测器中暗电流的主要来源。c)和d) G-WSe
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-PtSe
2
异质结构nBn单极性势垒光电探测器在无红外光照和有红外光照下的能带图。
图 2. G-WSe
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-PtSe
2
异质结构在室温下的光伏特性。a) G-WSe
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-PtSe
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范德华异质结构光电探测器的示意图。b) PtSe
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和WSe
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纳米薄片的拉曼光谱。c) 典型G-WSe
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-PtSe
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范德华异质结构在不同温度下的I-V曲线。d) G-WSe
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-PtSe
2
范德华器件单极性势垒暗电流的Arrhenius图。
图 3. G-WSe
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-PtSe
2
范德华单极性势垒光电探测器在可见光谱范围内的光电特性。a) G-WSe
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-PtSe
2
范德华单极性势垒器件在不同功率520 nm激光照射下的输出特性曲线。b) 开路电压V
OC
和短路电流I
SC
随光照功率的变化关系。c) 器件在520 nm激光不同照射功率下的电功率P
el
与偏压的关系。d) G-WSe
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-PtSe
2
范德华单极性势垒器件在有无520 nm激光照射下的I-V曲线。e) 填充因子和功率转换效率η随520 nm激光照射功率的变化关系。f)和g) G-WSe
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-PtSe
2
范德华单极性势垒器件在520 nm和637 nm激光不同照射功率下的时间光伏响应。h) 在0 V偏压和637 nm激光照射下，响应度R和外量子效率EQE随入射光功率的变化关系。i) G-WSe
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-PtSe
2
单极性势垒范德华异质结构光电探测器在0.1 V偏压下的上升时间τ
r
= 699 ns和衰减时间τ
d
= 452 ns。
图 4. G-WSe
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-PtSe
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范德华单极性势垒器件在中波红外光谱范围内的光响应。a) G-WSe
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-PtSe
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范德华单极性势垒器件在3047 nm中波红外激光不同照射功率下的时间光响应。b) G-WSe
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-PtSe
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范德华单极性势垒器件在1 V偏压下对不同功率10.6 μm长波红外激光的时间分辨光响应。c) 在1 V偏压下计算的响应度R和外量子效率EQE随10.6 μm激光功率的变化关系。d) 测量器件在不同偏压下的噪声电流功率密度。e) G-WSe
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-PtSe
2
范德华器件在1 V偏压下的响应度R和外量子效率EQE随波长的变化关系。f) 与已报道的室温下二维材料光电探测器的光开关比和响应时间的对比。
图 5. 基于G-WSe
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-PtSe
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nBn光电探测器的光通信系统。a) G-WSe
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-PtSe
2
nBn光电探测器光通信系统的示意图。b) G-WSe
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-PtSe
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光通信系统传输ASCII码"AHU"的输入和输出信号。
【总结展望】
总之，本文设计了一种基于G-WSe
2
-PtSe
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nBn范德华异质结构的单极性势垒光电探测器。该器件展现出创纪录的高光开关比（约10
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）、4.87%的高能量转换效率，以及超快的光响应速度（上升时间τ
r
= 699 ns，衰减时间τ
d
= 452 ns）。器件实现了从365 nm到10.6 μm的超宽带探测。值得注意的是，该器件表现出优异的非制冷长波红外探测能力，实现了1.8 AW
-1
的高响应度。此外，基于其快速的光响应速度和超高的光开关比，实现了高信噪比的信息传输。
【文献信息】
