深圳大学刘新科AOM：——基于2D-on-GaN垂直异质集成的高性能宽光谱探测器

摘要： 深圳大学材料学院刘新科课题组成功在氮化镓单晶衬底上外延了具有p型导电特性的高质量连续的Mo _x Re _1-x S ₂ 薄膜，制备了一个完全垂直的p-2D/GaN异质光电二极管。器件具有突出的光开关比（> 10 ⁶ ）和极高的光探测率（6.13×10 ¹⁴ ），实现了紫外到可见、近红外区域的宽光谱检测。

关键词： Advanced Optical Materials , 宽禁带与二维材料, 能带工程， 光电探测器, 深圳大学, 垂直异质集成

分类： 光子；电子；器件；微纳加工；

近年来，异质异构集成和掺杂工程已成为推动功能器件与系统发展的关键因素。范德瓦尔斯异质结能够人工组装不同维度的材料（0D量子点，1D纳米线，2D薄膜和3D块体），突破了传统半导体异质结中晶格不匹配的限制，实现了定制具有所需性质的新型功能材料，已被应用于制造场效应晶体管（FET）、光电探测器（PD）、发光二极管（LED）和忆阻器等功能器件，表现出优异的电性能。将2D材料集成到宽禁带半导体（WBGs）上已成为增强光电器件检测能力的有前景的方法，最近的相关研究已经证明了2D材料与3D WBGs的成功集成。无需晶格匹配的限制，通过将适当的2D材料与3D WBGs结合，可以显著改变它们的物理特性，包括电学、磁学、光学和热学性质。这种集成与现有的平面微加工工艺相兼容，有助于生产大规模的异质3D集成电路（3D-ICs），具有广阔的未来应用场景。

深圳大学材料学院刘新科课题组借鉴组内氮化镓（GaN）垂直功率器件经验，充分发挥氮化镓宽直接带隙（3.4 eV）、高载流子迁移率（约1250 cm ² /V·s）、高辐射硬度和热导率的优势，将p型导电特性的高质量连续的Mo _x Re _1-x S ₂ 薄膜通过化学气相沉积外延至氮化镓自支撑撑衬底之上，设计并制造了一个完全垂直的2D/3D vdW堆叠p-Mo _x Re _1-x S ₂ /GaN（x=0.10±0.02）异质结光电探测器，整合了多种增强性能的策略，如混合维度堆叠、p型掺杂、垂直器件设计和II型能带排布对齐。通过在自支撑氮化镓（GaN）基底上集成水平、垂直和准垂直器件，有效地减轻了其他因素的干扰，垂直p-Mo _x Re _1-x S ₂ /GaN器件展现出优越的性能，包括高Ilight/Idark比率（1.48×10 ⁶ ）、大的响应度（888.69 AW ^-1 ）、高比探测度（D*）（6.13×10 ¹⁴ Jones）和快速的响应速度（上升/下降时间为181 ms/259 ms）。此外，光谱响应通过能带整合和带隙调制覆盖了紫外（UV）、可见光和近红外（NIR）区域。这种设计超越了先前的器件，突显了由垂直vdW异质集成实现的高灵敏度和微集成光电子器件的潜力。

相关工作以“Vertical Van der Waals Epitaxy of p-Mo _x Re _1-x S ₂ on GaN for Ultrahigh Detectivity UV-Vis-NIR Photodetector”为题，发表在 Advanced Optical Materials （DOI：10.1002/adom.202302613）上，论文第一作者为深圳大学材料学院硕士研究生蒋忠伟，通讯作者为深圳大学材料学院刘新科副教授。