文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202408299
亮点：
1.周围同质结结构的设计：通过在n型MoS₂表面进行氮等离子体掺杂，成功建立了p-n同质结，提高了光生载流子的分离效率。
2.宽谱响应的实现：氮掺杂不仅提高了对可见光的探测能力，还使器件对短波红外光产生外部响应，扩展了应用范围。
3.超灵敏的探测性能：研究中获得的高光电响应和特定探测度为新型光电探测器提供了更强的性能指标。
摘要
作为推进光电技术的独特构建块，二维半导体过渡金属二硫化物（TMDs）受到广泛关注。然而，以前报道的大多数MoS₂光电探测器仅响应可见光，吸收能力有限，导致其谱响应窄且灵敏度低。在此，我们设计了一种周围同质结MoS₂光电探测器，该探测器在n型MoS₂表面上进行局部p型氮等离子体掺杂，同时保留高迁移率的底层沟道以实现快速载流子传输。p-n同质结的建立促进了光生载流子的有效分离，从而提升了器件的内在探测性能。所得光电响应为6.94 × 10⁴ A W⁻¹，特定探测度为1.21 × 10¹⁴ Jones（在638 nm时），最佳光开关比约为107（在VGS = -27 V时）。值得注意的是，通过氮掺杂引入MoS₂带隙内的附加能带，使得其对短波红外光产生外部宽谱响应。在1550 nm时，探测器展现出34 A W⁻¹的光电响应和高达5.92 × 10¹⁰ Jones的特定探测度。此外，通过成像和与波导的集成，进一步验证了高性能宽谱响应，为下一代多功能成像系统和高性能光子芯片铺平了道路。
研究背景和主要内容
近年来，石墨烯、过渡金属二硫属化物和黑磷等二维材料由于其独特的结构、优异的光电性能和调控灵活性，在光电子领域引起了广泛关注。陈云峰等人利用能带设计范德华异质结构，构建了可在可见光和中红外波长下工作的单极势垒光电探测器。单极势垒结构通过阻挡大多数载流子，显著抑制了光电探测器中的暗电流。Nikolaus Flöry等人提出一种与平面硅光子波导集成的高性能垂直 MoTe2 -石墨烯范德华异质结构光电探测器，在中等偏压下实现了创纪录的高带宽。尽管如此，这些器件的响应范围仍然受到二维材料本征带隙的限制，严重限制了它们的多功能检测能力。
人们探索了多种方法来修改二维材料的带隙并拓宽其光谱响应范围。其中，人们开发了铁电门控光电探测器，利用极化铁电聚合物产生的超高静电场来改变能带，从而扩展其响应波长。然而，这些扩展波段的光电探测性能仍然不是最理想的，需要进一步增强。此外，通过调节 MoSx中钼和硫的原子比来调整带隙，可以实现从 445 到 2717 nm 的宽带检测。尽管如此，由于脉冲激光沉积技术引起的缺陷，探测器的载流子迁移率相对较低，捕获态丰富。此外，还报道了由空位引起的非本征响应，因为空位在带隙内引入了额外的能态并扩展了响应波长。尽管有这些创新方法，但这些器件的整体性能仍需要大幅改进。在二维材料中实现高性能外部响应是一项重大挑战，因为高浓度的外部态和高载流子迁移率是相互排斥的，无法同时实现。
在本研究中，我们提出了一种新颖的 MoS2器件配置，该器件具有环绕同质结和高速底层传输通道。环绕同质结是通过在 n 型 MoS2表面局部掺杂氮实现的，从而形成一个孤立的 p 型掺杂区域，该区域被原始 n 型 MoS 2材料半包围。这种配置在水平和垂直方向上都创建了 pn 结，从而增强了光生载流子的有效分离。结果显示，在638 nm光照下，该器件表现出6.94×104 A W −1的超高光响应度和1.21×1014 Jones的探测率，在栅极电压为−27 V时光开/关比≈107。此外，密度泛函理论（DFT）计算证实，氮杂质的引入在MoS2的带隙内形成非本征态，将光谱响应扩展至短波红外（SWIR）波段。借助周围的同质结结构和高速底层通道，掺杂区的光生载流子被有效地分离、传输并最终被电极收集。具体来说，在1550 nm的通信波长下，该器件实现了34 A W−1的光响应度和5.92×1010 Jones的探测率。采用可控掺杂和创新结构设计的策略，可实现对少层二维材料的高灵敏度宽带检测。可见光和短波红外波段的高对比度成像以及与平面波导的集成表明它们在后硅和片上集成光电子学中的应用前景广阔。
图1 纯和N掺杂单层MoS2的第一性原理计算。a,b) 纯和N掺杂单层MoS2的理论结构模型。c,d) 纯和N掺杂单层MoS2的计算电子结构和DOS。
图2 基于 MoS2的器件的栅极敏感光电检测。a) 基于 MoS2的器件示意图。b,c) 基于 MoS2的器件在 638 和 1550 nm 照射下的扫描光电流映射，VDS = −3 V 和VGS = 0 V 分别如此。d) 638 nm 激光下， VDS = 2 V 时的IDS – VGS特性 。e) 1550 nm 照射下，V DS = 2.0 V时的I DS – V GS特性。f) 638 nm 激光下， V DS = 2 V 时的栅极依赖性光响应度。g) 1550 nm 激光下， V DS = 2.0 V 时的栅极依赖性光响应度。h,i) 正向偏压下 638 和 1550 nm 辐照下 MoS2基器件 的能带图。
图 2c显示了 1550 nm 激光照射下的光电流映射，与 638 nm 激光照射下的光电流映射不同。仅在掺杂区域观察到光电流，而在未掺杂区域未检测到明显的光电信号。1550 nm 照射下未掺杂区域的电流与暗电流一致。这一观察结果提供了令人信服的证据，表明红外波段响应源于 N2等离子体注入。将氮原子掺杂到表面会在 MoS2材料中引入杂质能带，从而产生外在响应，将 MoS2的响应范围从可见光谱扩展到 SWIR 波段。这些发现与计算结果非常吻合。
图3 器件的高灵敏度和宽带光响应。a、b) 分别在 638 和 1550 nm 激光下VGS = 25 V 时的IDS – VDS特性。c、d) 分别在 638 和 1550 nm 激光下的时间分辨光响应。在VDS = −2 V 和VGS = −20 V 时，638 nm 的τ上升和τ下降分别为 39.7 和 72.3 µs ，在V DS = −1 V和V GS = 0 V 时，1550 nm 的 τ 上升和 τ 下降分别为 0.99 和 2.71 ms。e) 在短波红外下提取的基于 MoS2的光电探测器 的波长相关光响应度。插图：可见光下波长相关的光响应度。测量是在环境空气中在V DS = −5 V 和V GS = −15 V下进行的 。 f）从1 Hz到3 kHz测量的电流噪声功率谱。g）室温特定探测率D *作为各种基于MoS 2
