东南大学，南京师范大学Nat. Commun.：由具有垂直传输沟道的范德华异质结构实现的高灵敏度、高速、宽带中红外光电探测器

成果介绍

中红外光电探测长期以来一直是多种技术应用的核心，包括军事与国防、环境监测、天文学和天体物理学等领域。同时，随着诸如自动驾驶、智慧城市、人工智能等新兴领域的出现，对于中红外光电探测器在高灵敏度、高速、小型化、低功耗和集成化方面的需求日益增长。然而，基于传统半导体（如II-VI族HgCdTe和III-V族超晶格）开发的中红外光电探测器在低温制冷操作、大型模块尺寸、高功耗、复杂制造工艺以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的有限兼容性等方面存在诸多限制。二维（2D）范德华异质结构在降低暗电流和实现高性能室温运行的中红外光电探测器方面展现出了巨大潜力。然而，尽管取得了 不断进步 ，要同时实现高灵敏度、快速响应速度和超宽带中红外光电探测，仍然是一项持续的挑战。

有鉴于此，东南大学 倪振华教授、吕俊鹏教授课题组 和 南京师范大学刘宏微教授课题组提出了 一种基于Gr/BP/MoS ₂ /Gr异质结构并采用垂直传输 沟道 的中红外光电探测器，其具备室温操作、自供电、高灵敏度、高速和超宽带的特性。嵌入的BP/MoS ₂ p-n结能够有效降低室温下的噪声电流。垂直 沟道 长度被最小化至数十纳米，从而避免了传输过程中因复合引起的电荷载流子损失，显著提高了外量子效率。此外，缩短的载流子传输路径大幅减少了载流子传输时间，克服了因传输时间延长可能对响应速度造成的限制。因此，所制备的垂直 沟道 器件在室温下实现了高达 2.38×10¹¹cm·Hz¹/²·W⁻¹ 的中红外探测率， 接近黑体辐射背景理论极限 ；在1550 nm波长处实现了10.4 ns的快速响应时间，达到了甚至超过了商用制冷HgCdTe光电探测器在中红外波段的响应速度；并展示了覆盖紫外、可见光、近红外及中红外波段的超宽带光电探测范围。我们的研究成果为下一代高性能、低功耗、与CMOS兼容的中红外光电探测器的实现迈出了重要一步。

图文导读

图1|二维异质结构中具有垂直和横向传输 沟道 的光生电荷载流子传输。 a 示意图展示了光生电荷载流子在垂直和横向 沟道 器件中的扩散过程，入射光从上方向重叠的异质结区域照射。红色和蓝色球分别表示空穴和电子。 b 当额外的电子和空穴仅在p-n结区域生成时，稳态光生电荷载流子分布随距离p-n结的变化情况。L _d 表示电荷载流子的扩散长度，n ₀ 表示p-n结区域的光生载流子浓度。 c,d 示意能带图展示了垂直 沟道 （ c ）和横向 沟道 器件（ d ）中电子-空穴对的生成、分离、扩散及复合过程。红色和蓝色虚线箭头分别表示光生空穴和电子的传输方向。蓝色和橙色阴影区域分别对应耗尽区和中性区。

图2|垂直 沟道 光探测器的光电性能表征。 a 示意图展示了Gr/BP/MoS ₂ /Gr垂直 沟道 光探测器的实验装置。光电流通过顶部和底部的金电极测量。高电阻硅衬底用于避免由重掺杂硅衬底引起的寄生电容效应。其中，BP和Gr分别表示黑磷和石墨烯，Vds表示源漏之间施加的偏压。 b 制备的垂直器件的光学图像，其中BP、MoS ₂ 和石墨烯层分别用黄色、蓝色和白色线条标出以便区分。插图：通过波长为633 nm的聚焦激光扫描获得的器件光电流图，Vds=0 V。虚线包围的区域表示BP/MoS ₂ 异质结的重叠区域。 c 垂直光探测器在暗态和不同光功率的1550 nm激光照射下的输出特性。 d 在1550 nm波长下不同光功率下的时间分辨光响应特性，Vds=0 V。 e 在Vds=0 V，入射光功率为7.5µW条件下，随波长变化的时间分辨光响应测量结果。 f 在Vds=0 V时，不同特征光谱带（紫外325 nm、可见光633 nm、近红外1550 nm和中红外3200 nm）的光电流与光功率的关系。图中点表示实验数据，线表示通过幂函数拟合数据的结果。α是幂函数的指数。

‍

图3|室温下具有垂直和横向传输 沟道 的光探测器性能对比。 a–c 垂直和横向 沟道 器件的宽带波长依赖的外量子效率（ a ）、响应度（ b ）和探测率（ c ）对比，所有测量均在Vds=0 V下进行。 d,e 垂直（ d ）和横向 沟道 器件（ e ）在1550 nm激光照射下的上升时间和下降时间，测量均在Vds=0 V下完成。快速变化的光电流信号通过数字示波器记录。 f 垂直和横向 沟道 器件在1550 nm激光照射下、Vds=0 V条件下，归一化光响应随调制频率变化的关系。 g 垂直光探测器在暗态和1193 K黑体辐射照射下的输出特性。 h 不同黑体温度下的时间分辨光响应特性，测量条件为Vds=0 V。 i 不同黑体温度下垂直器件的波长依赖探测率（D*），测量条件为Vds=0 V。

图4|横向 沟道 器件 沟道 长度缩放对光响应特性的影响。a BP/MoS ₂ 异质结的光学图像，具有六对不同 沟道 长度的电极， 沟道 长度范围为13.7µm至112.3µm。b在1550 nm激光照射下，不同 沟道 长度横向器件的时间分辨光响应特性，测量条件为Vds=0 V。c在1550 nm激光照射下，横向 沟道 长度对响应度和外量子效率的影响，测量条件为Vds=0 V。d在633 nm激光照射下，横向 沟道 长度对上升时间和下降时间的影响，测量条件为Vds=0 V。

图5|垂直 沟道