文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202402957?saml_referrer
摘要
利用几层InSe p-n同质结，展示了具有二次响应的高效非线性光电探测器（NLPD），这得益于InSe中强烈的二次谐波产生（SHG）过程以及由高质量同质结激发的光载流子的有效收集。NLPD可以感知比InSe电子带隙更小的光子能量，因为InSe中的SHG过程使入射光的频率加倍，将InSe的光电探测波长范围扩展至1750 nm。由两个分离背栅静电掺杂的InSe p-n同质结呈现出超过106的整流比，暗电流降至2 pA，并且在1550 nm的电信波段脉冲光下具有0.534 A W−2的高归一化响应度。SHG辅助的光电检测的光电流与光功率呈二次关系，使得NLPD对光强度变化非常敏感，并且具有改善的空间分辨率。作为示例，NLPD被用于精确定位聚焦激光束腰的位置，并且与线性光电探测器相比，实现了具有改进分辨率的空间成像。这些特点突显了所提出的NLPD在开发先进光学传感和成像系统方面的潜力。
研究背景及主要内容
非线性光电探测器（NLPD）在测量的光电流或电压与光功率之间具有非线性依赖性，可以执行复杂的光电功能，包括全光混合信号的直接光电转换或光电转换信号的传感器内计算。它可以简化复杂的光电系统。例如，在超快激光脉冲宽度的自相关测量中，首先使用非线性晶体将光脉冲-脉冲相互作用转化为变频信号，然后通过分离的光电探测器将其转换为电信号。基于二阶或三阶非线性响应的NLPD可以直接实现该自相关器。在电信中，为了将两个射频调制的光信号混合为一个电信号，需要一个基于两个光电探测器和一个电混合器的光电混合系统，这实际上可以通过传感器内光学混合由一个具有全功能的NLPD来实现。
NLPD 已基于多光子吸收、饱和吸收、和载流子缺陷捕获机制得到证明。对于基于可饱和吸收或载流子缺陷捕获的NLPD，由于复杂的相互作用涉及各种物理过程，因此确定响应度和光功率之间的函数具有挑战性。由于低效的高阶非线性光学响应，由多光子吸收控制的 NLPD 面临着光响应性的限制。最近，我们报道了由范德华（vdWs）堆叠少层硒化镓（GaSe）和少层硒化铟（InSe）的ap-n异质结的NLPD。得益于 GaSe 和 InSe 中强大的二次谐波产生（SHG），异质结将两个频率为ω的入射光子上转换为一个频率为 2 ω的光子，然后被异质结吸收，产生一个光电流的电子-空穴对。它在该 vdWs NLPD 中产生二次光电响应。由于其光学频率上转换以及光与光相互作用的直接光电转换能力，该NLPD不仅将GaSe/InSe的光电探测范围从900 nm扩展到1750 nm，而且还支持用于超快测量的自相关器功能脉冲宽度和用于信号处理的两个调制脉冲的光电混频器。
在这里，我们通过用 InSe p-n 同质结替换 GaSe/InSe vdWs 异质结来改进 SHG 启用的 NLPD，如图1a 所示。漏极和源极 (D、S) 接触的几层 InSe 由两个分离金属电极 (G1、G2) 进行背栅，其中采用几层六方氮化硼 (h-BN) 作为介电层。对 G1 和 G2 施加不同符号和大小的栅极电压，可以将 InSe 沟道掺杂到各自栅极区域上的 p 型或 n 型，形成 p-n 同质结。这些结为光载流子的分离提供了必要的内置电场。这种基于同质结的光电探测器可以在线性光电转换（LPC）和非线性光电转换（NPC）机制下工作，分别检测光子能量大于和小于InSe带隙的光，如图 1b所示。结合InSe中强大的SHG过程的能力，带有NPC的光电探测器表现为NLPD，对光子能量小于InSe带隙的光具有二次光电响应，这是线性光吸收无法检测到的。
与我们之前基于GaSe/InSe vdWs异质结的NLPD相比，InSe同质结在电通道上提供了自然匹配的化学和电子结构，减少了界面缺陷和位错密度，并有望增强载流子扩散通道和连续能带弯曲。这一进步导致光响应率显着增加，在 1550 nm 脉冲激光下平均光功率为 425 µW 时达到 227 µA W−1，比我们之前的 GaSe/InSe NLPD 中获得的结果高两个数量级以上vdws异质结。
此外，在 InSe 同质结 NLPD，特别是I ph ∝P激光器2中，验证了入射光功率 ( P Laser ) 和光电流 ( I ph ) 之间恒定的二次关系。这一特性对于聚焦的高定位测量至关重要。束腰并提高图案成像的空间分辨率，提供优于线性光电探测器的性能，如图1c、d所示 。 p-n 同质结由两个分离栅极定义，留下一条窄线的内置场来分隔光载流子。因此，NLPD 具有宽度为微米级的一维主动轮廓，可用于通过扫描光束来解析光束的分布。分辨率的提高可归因于 NLPD 中由I ph ∝P激光2 控制的对光强度的敏感性提高，而在 LPC 体系中，它具有I ph
∝P激光的关系。这些功能强调了 NLPD 在提供先进光学传感和成像功能方面的多功能性。
图1 所提出的 NLPD 的器件概念、光电转换机制和应用。 a) 基于 InSe 同质结的 NLPD 原理图，通过两个分裂背栅调谐，以 h-BN 作为介电层，显示了 SHG 和光载流子分离的组合过程。 b）同质结光电探测器中的线性光电转换（LPC，上）和非线性光电转换（NPC，下）机制。对于LPC，能量大于InSe带隙的入射光子（ω 1 ）被直接吸收，产生电子空穴对，产生I ph ∝ P激光；对于NPC，两个能量小于InSe带隙的光子（2×ω 2 ）经过倍频产生一个能量大于InSe带隙的光子（2ω 2），然后被吸收产生电子空穴对，导致I ph ∝ P激光2。 c，d）基于不同光电转换机制的两种应用（从LPC到NPC）。 c) NPC 精确确定聚焦束腰的定位点。 d) NPC 提高了光学成像分辨率。
图 2a显示了所制造器件的光学显微镜图像。该器件的制造是通过将 h-BN、InSe、D 和 S 电极依次干转移和 vdW 堆叠到预沉积的 G1 和 G2 电极上来完成的，如实验部分（器件制造）中详述。为了确保高效的 SHG，使用了厚度约为 52 nm 的几层 InSe，原子力显微镜证实了这一点（图S1，支持信息）。 48 nm h-BN 介电层确保 vdWs 与 InSe 通道的界面干净，防止衬底意外掺杂。在器件底部，使用电子束光刻定义两个金 (Au) 栅电极（G1 和 G2），使其横向间隙为 150 nm。 D 和 S 电极被干式转移到 InSe 通道上，形成 vdW 接触，确保高质量的电连接。这里，选择Au作为D和S电极，因为它的功函数位于InSe带隙的中间附近，有利于空穴和电子注入InSe中，从而导致双极性。拉曼光谱和 532 nm 激发下泵浦的光致发光 (PL) 证实了 InSe 的质量。拉曼光谱在 115、177 和 227 cm -1处出现峰值，表明其高结晶度。PL谱表明本工作中ε-InSe的带隙约为1.26 eV（图S2b，支持信息），这与之前的报道一致。
在探索用于所提出的 NLPD 的双栅极 InSe p-n 同质结时，我们首先检查 InSe 通道的电子-空穴双极特性。通过将两个分裂栅极（G1和G2）同步到均匀的栅极电压（V G）并逐渐将V G从-8 V变化到8 V，获得测量的传输曲线，其中漏源电压（V DS）为3.5 V，如图2b所示 。值得注意的是，沟道电流 ( I DS ) 在V G = 0 V时达到最小值，表明电子和空穴的注入达到平衡，因为费米能级向导带和价带的移动与功函数具有等效效应Au 电极位于 InSe 带隙中间。对于VG >0 V 和VG
<0 V，随着VG幅度的增大，IDS 显着增加，显示开关比超过10 3。这表明栅极电压有效地调制了电子和空穴的注入，从而控制了 InSe 沟道的工作状态。
因此，当对两个分裂栅极施加相反的电压时，位于栅极上方的 InSe 沟道的相应区域可能会掺杂成n型或p型，从而在间隙上方的区域周围产生 ap-n 同质结在两个栅电极之间。我们描绘了V DS > 0下各种两个栅极配置的能带图，说明了载流子注入动态（图 2c）。当向VG1和VG2施加正电压时，导带和价带向下弯曲（图 2c-I）。由于肖特基势垒变薄，电子可以在源极端子处注入，而漏极端子处增加的肖特基势垒阻止空穴注入，导致InSe沟道的n型掺杂。相反，施加在VG1和VG2上的负电压会导致导带和价带向上弯曲（图 2c-II ），这会阻止电子通过源极端子注入，而空穴则在漏极端子注入，从而导致导带和价带向上弯曲。InSe通道的p型掺杂。当V G1 <0且V G2 >0时（图 2c-III），源极和漏极处的能带向相反方向弯曲，并且变薄的肖特基势垒分别允许电子和空穴的注入。在V DS >0的配置下，器件对于上述三种配置都是导通的，这对应于三种不同的导通电流状态。当V G1 >0且V G2 <0时，由于n-p结耗尽区内建电势的反向偏压，器件呈现截止电流状态（图 2c-IV）。此外，通过改变V DS的方向以与 p-n 结中的内置电场方向对齐或相反，电流可以在导通和截止状态之间切换。
为了揭示所制造的 NLPD 器件的不同电气特性，在两个栅极电压的不同配置下测量输出特性，如图 2d所示。实现了 n-n、p-p、p-n 和 n-p 四种不同的沟道掺杂类型。在 n–n ( VG1 = VG2 = 8 V) 和 p–p ( V
G1 = VG2 = -8 V) 配置中，输出曲线基本上是对称的，其中通道中的电子或空穴充当主要载流子以确定器件的电导。然而，在 ( VG1 = -8 V, VG2 = 8 V) 和 n-p ( VG1 = 8 V, VG2 = -8 V) 配置中观察到明显的不对称行为。这是由于在正V DS偏压（即V DS > 0）下，电子和空穴分别通过源极端子和漏极端子注入，导致 p-n 型沟道中出现正向传导行为。然而，由于V DS >0时电子和空穴注入受阻，n-p 型沟道的电导率受到抑制。此外，n-n和p-p构型的对称输出意味着对称接触和无残留的干净沟道，因此n-p和p-n构型中的整流主要源自p-n同质结而不是肖特基Au/InSe 接触处的势垒。关于具有低静态功耗和高开/关比的光电器件是首选，我们的结果（图S3，支持信息）表明InSe同质结的开/关比为105和10 6分别为 p-n 和 n-p 结。此外，观察到低至 10 – 11 A 的截止电流水平，证实了双栅极与 h-BN 源漏电极之间的有效电隔离。
图2 InSe 同质结的静电控制。 a) InSe同质结器件的光学显微照片。 b) V DS = 3.5 V 时的传输特性（| I DS |– V G曲线） ， VG = 0 V时的最小沟道电流I DS 。 c) V DS >0时不同类型同质结的能带图。 d)器件的四种掺杂配置的输出特性（ I DS – V DS曲线）：n-n、p-p、p-n 和 n-p 同质结。
上述高质量 InSe p-n 同质结有望有效分离光载流子，实现灵敏的光电检测。我们通过使用波长为 532 nm 的连续波 (CW) 激光照射设备来评估它，该激光使用物镜（50×，数值孔径为 0.75）聚焦。由于532 nm（2.3 eV）的光子能量大于InSe的带隙（1.26 eV），光子可以直接被InSe同质结吸收并产生相当大的光电流，如图
3a 所示。这里，为了保持 p-n 同质结的配置，应用 VG1 = -8 V 和 VG2 = 8 V的背栅。在黑暗条件下，漏源电流|IDS |低至 10 −12 A，V DS = −1 V。在 532 nm 光照下，|IDS |随着光功率的增加而显着增加。通过比较 |IDS |在暗光和光亮照明下，我们推导出光电流（I ph）并计算光响应率（R = I ph /P Laser ），实现了 0.4 A W −1的高响应率。这种水平的响应度具有很强的竞争力，超过了许多先前报道的 p-n 结光电探测器。我们还测量了光电流的功率依赖性，如图3b所示 ，呈现出线性函数，即I ph ∝ P Laser。它证实了所制造的 InSe 光电探测器的光电响应受 p-n 结的光伏效应控制，消除了载流子捕获引起的光电选通可能的光电效应。
然后，我们将 532 nm CW 激光器的照明光更改为波长 1550 nm 的脉冲激光，其脉冲宽度为 4 ps，重复率为 100 MHz。由于带隙较小，1550 nm 光的光子能量（0.8 eV）不足以使 InSe 具有吸收性。由于InSe巨大的二阶非线性磁化率，它通过SHG过程将两个1550 nm的光子转换为能量为1.6 eV的光子，然后被InSe吸收产生光载流子，如图所示在图 1a中。随后，在 p-n 结的内置电场驱动下，实现了相当大的光电流。图 3c显示 | I DS |– V DS曲线在黑暗条件下和 1550 nm 脉冲激光照明下测量。与图3a所示的 532 nm CW 激光器的光电响应类似 ，|IDS |随着光功率的增加， 反向偏压下的光功率显着增加，从 10 -12 A增加到 10
-7 A。从这些曲线中提取不同光功率下获得的光电流，如图 3d（红线）所示，呈现与光功率为I ph ∝ P激光2 的二次相关性，因此用二次光电响应定义了我们的 NLPD，在不同的设备中是可重现的（图S4，支持信息）。与线性光电探测器的光响应度定义不同，NLPD对于不同的光功率具有不同的光响应度。这里，在425 µW的入射功率下实现了高达227 µA W -1的响应率，对应于0.534 A W -2的归一化值。它比我们之前基于 GaSe/InSe vdWs 异质结的工作中获得的结果高两个数量级以上。与 GaSe 和 InSe 的 vdWs 界面相比，连续 InSe 通道上的载流子传输效果更好。同时，这也超越了许多采用替代光电转换机制的NLPD的响应度。我们还使用波长为 1550 nm 的 CW 激光评估了 NLPD 的光电响应。由于连续激光器泵浦下的SHG效率较低，因此没有可观察到的光电响应（图S5，支持信息）。
为了阐明光电流机制，我们还使用物镜捕获来自 InSe 通道的 SHG 辐射。图 3d（蓝线）显示了 SHG 信号的泵浦功率依赖性，并呈现接近 2.0 的斜率，表明 SHG 光子有效转换为获取的光电流。在 1550 nm 脉冲激光的照射下，进行了辐射 SHG 信号和转换光电流的空间映射（图S6，支持信息）。在整个 InSe 通道上获得了 SHG 的均匀分布。相反，光电流主要分布在两个背栅电极之间的间隙区域周围，这是 InSe p-n 同质结的位置。 p-n 同质结的内置电场将吸收 SHG 信号产生的光载流子分开，这一点是一致的。此外，在 D 和 S 电极的边界区域，尽管辐射的 SHG 信号很强，但没有观察到光电流。它还表明 D 和 S 电极金属接触处的肖特基势垒可以忽略不计，并且 p-n 同质结提供了相当强的内置电场。
然后通过调谐脉冲激光的波长来检查二次光电响应和 NLPD 中辐射的 SHG 信号的波长依赖性，如图 3e所示。随着激光波长从 1500 nm 增加到 1750 nm，SHG 强度（蓝线）和相应的二次光电流（红线）均表现出明显的降低。这种减弱的趋势归因于较长波长下二次谐波产生过程的效率较低。
同质结的光电响应不受载流子捕获或缺陷引起的光电门控的阻碍，保证了快速的运行速度。为了检查这一点，我们使用机械斩波器打开和关闭 1550 nm 脉冲激光，并记录调制的光电流，如图 3f所示。上升和下降时间评估为 ≈80 µs，这是在最大光电流的 10% 至 90% 的调制水平范围内评估的。还评估了线性光电转换下的响应速度，如图S7（支持信息）所示，其值与非线性光电转换下的响应速度相似。这可以用SHG过程的相干属性来解释，SHG过程是飞秒时间尺度的超快全光转换过程。它不会限制NLPD的光电转换速度。 InSe 沟道上的内置电势在光生载流子的快速分离和收集中发挥着重要作用，n-n 条件下较慢的光响应证明了这一点（图S8，支持信息）。接触电阻、通道电阻和器件面积等因素主要限制这种响应速度。优化这些因素可以进一步提高响应速度。
图3 InSe p-n 同质结（VG1 = -8 V，VG2 = 8 V）光电探测器的线性和二次非线性光电响应。一）| I DS |– V DS不同光功率下光子能量大于InSe带隙的532 nm连续激光器的照明曲线。 b) 532 nm CW 激光在V DS = -3.5 V 时光电流的功率依赖性，呈现线性函数，即I ph ∝ P Laser。 c) | I DS |– V DS不同光功率下光子能量小于InSe带隙的1550 nm脉冲激光的照明曲线。 d) V DS = -3.5 V时 1550 nm 脉冲激光功率对光电流（红线）的依赖性，呈现二次函数，即I ph ∝ P激光2. 不同脉冲激光功率下的 SHG 信号（蓝线）表现出2.0的斜率。 e) 二次非线性光电流和SHG强度随泵浦激光波长在1500至1750 nm范围内的变化。 f) 1550 nm 脉冲激光下二次非线性光电流的时间依赖性。
此外，我们还将线性和二次光电响应的研究扩展到具有相同器件的其他同质结配置，如图S9（支持信息）所示。 n-p 同质结的测量结果与 p-n 同质结的测量结果一致。这种一致强调了不同结配置下器件性能的稳健性和可靠性。
对于光子能量小于InSe带隙的光，NLPD的光电响应呈现出光电流对光功率的二次依赖性，这增强了对光功率变化的敏感性。利用这一属性，我们展示了 NLPD 在提高光信号空间测量分辨率方面的两种可能应用。首先，我们展示了二次光电响应提供了一种独特的能力，可以实现聚焦激光束腰定位点的高分辨率测量。精确的聚焦激光束腰测量不仅有利于激光系统聚焦性能的精确优化，而且为精密加工和光学设计提供了基础。常见的测量方法包括刀口测量、近场测量、和微/纳米颗粒散射法都是基于线性光学响应，这使得很难确定梁腰的精确轮廓和位置。我们使用 NLPD 克服了这一限制。在我们的测量中，我们使用数值孔径为0.8的物镜来聚焦激光以形成束腰。如图4a所示，NLPD 在聚焦点周围的x – z平面上进行空间扫描。由于只有当激光聚焦在中间 p-n 结区域时才能产生光电流，因此 NLPD 可以被视为沿y方向具有一维几何形状的传感器。因此，它类似于线光电探测器，将自身动态定位在不同的焦深 ( z ) 并沿着焦平面 (
