范德华异质结构在高效红外探测器的应用 | 应用物理前沿推介系列No.20

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本期推介

具有动量匹配和能带结构对准的范德华异质结构在高效红外探测器的应用

红外光电探测器自诞生至今短短百年内得到了非常广泛且深入的研究,在激光测距、成像、遥感、夜视等领域有着重要应用。其中具有高量子效率的红外光电探测器可用于超微弱光检测和量子通信，也是红外光电探测器从材料到器件结构不断创新突破的方向之一。材料本身缺陷以及器件对光生载流子收集的种种限制，阻碍了具有高量子效率的红外光电探测器的制造和进一步发展。

2D材料由于具有优异的光电特性，在红外探测器方面具有重要的应用，并取得了很大的发展。2D材料具有自然钝化的表面，使得光生载流子的表面复合可以得到有效抑制；其独特的堆垛形式可以构建各种类型的vdW异质结，且能有效避免晶格失配的问题，同时也具备和硅基电路集成的能力。虽然2D材料对红外光具有较强吸收，但基于2D材料的光电探测器由于材料本身的稀薄原子特性，仍然存在量子效率的缺陷，极大限制了其在高效红外探测器的开发与应用。近年来虽然诞生了光波导、光学谐振器、表面等离子体等新型功能结构研究策略可以改善2D光电探测器的量子效率，但需要以牺牲器件集成水平和窄光谱响应为代价。

2022年，国内的研究团队提出了一种具有动量匹配和能带对准的二维（2D）黑磷（BP）/Bi₂O₂Se范德华（vdW）异质结光电探测器[1]，以解决2D材料红外光电探测器受到的低量子效率限制问题。该工作将动量匹配和II型能带对准结构应用在2D材料中，构造了无需功能结构辅助的BP/Bi₂O₂Se异质结构（图1）。k空间中动量匹配的BP/Bi₂O₂SevdW异质结构有助于光生载流子的高效生成和在k空间中进行直接的层间跃迁，而不需考虑直接或间接跃迁问题，不仅可以大幅提高光载流子的产生率，拓宽光谱响应，并且可以有效避免晶格失配和缺陷带来的界面复合，减小光生载流子的损失。2D材料的层依赖性和多样的能带结构使得能够在没有电子和空穴势垒的情况下构建II型能带对准界面，优化载流子的层间跃迁和传输，以获得高量子效率。具有红外光高吸收效率的2D BP，其价带最高点和导带最低点都位于Γ点，与2D Bi₂O₂Se的导带最低点相对应。通过BP/Bi₂O₂Se异质结的形成，光生载流子可以不受阻碍地沿着II型能带流动，并直接穿过二者的层间谷。从能带理论的角度来看，BP/Bi₂O₂Se vdW异质结构适合于光电探测，而晶格失配免疫的vdW界面可以极大地抑制载流子复合。可以实现对光生载流子的高效传输和收集。

图 1. BP/Bi₂O₂Se-vdW异质结的动量匹配和II型带对准。

BP/Bi₂O₂Se-vdW异质结红外探测器的具体结构如图2所示。零偏压下的光电流映射曲线显示出光生电子空穴对在垂直堆叠的异质结中的生成和分离。而均匀的光电流图谱则显示了所制备的高质量的vdW异质结，这是有效抑制光生载流子复合和提高载流子的收集效率的基础。

图 2. BP/Bi₂O₂Se-vdW异质结探测器的结构以及无缺陷界面

对BP/Bi₂O₂Se-vdW异质结红外探测器的光电特性表征发现（图3），该器件的三个响应峰分别位于1.3、2和3.6 µm,除却二者带隙对应的响应峰，新出现响应峰（2 µm）证实了BP/Bi₂O₂Se界面k空间跃迁的实现。通过优化光生载流子的产生、抑制复合和提升光生载流子的收集效率，所制备的BPBi₂O₂2Se异质结红外探测器的量子效率得到了很大改善该器件在0 V偏压下在1.3 µm和2 µm两个波长处获得了高达10³的信噪比，分别实现了84%和76.5%的量子效率纪录新高。此外，由于BP固有的不对称结构引发的各向异性，该光电探测器还显示出一定的偏振特性。

图3. BP/Bi₂O₂Se-vdW红外光电探测器的光电特性

二维半导体材料由于具有层间范德华力任意堆叠成异质结构、无表面悬挂键等特性，在红外探测器方面具有光明的应用前景。具有动量匹配和能带对准的2D BP/Bi₂O₂Se范德华异质结构展现出了优异的光电特性。其在红外波段显示出的高量子效率主要归因于k空间动量匹配的高光生载流子生成率、无缺陷异质界面的低复合率以及具有II型能带结构的光载流子收集效率的提升。这种动量匹配和能带对准的二维范德华异质结红外探测器结构将为超灵敏红外光电探测和可重构器件开辟新的途径。该工作对推动2D材料红外探测器的发展起到非常重要的作用，同时也为研制新型高效红外探测器提供了全新的方法。

虽然2D材料红外探测器近些年取得了很大的进步，但要继续探索利用2D材料的优势制备出与传统半导体性能相媲美的器件，并在器件可靠性及一致性方面下功夫。

推介人

邓震，中国科学院物理研究所，主要研究方向为III-V族材料的外延生长及其光电器件研究，III-Nitrides的MOCVD生长及其器件研究，以及其他新型光电器件的研究。

参考资料

[1] Yunfeng Chen, Congwei Tan, Zhen Wang, Jinshui Miao, Xun Ge, Tiange Zhao,Kecai Liao, Haonan Ge, Yang Wang, Fang Wang, Yi Zhou, Peng Wang, Xiaohao Zhou, Chongxin Shan, Hailin Peng, Weida Hu, Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection, Science Advances, 8, eabq1781 (2022).

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前沿推介专栏

为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。

中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。

专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。

中国物理学会

应用物理前沿推介委员会

主    任：吴义政， 复旦大学

副主任：杨海涛，中科院物理所

一、传感与探测方向

召集人：柴国志

委   员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞

二、量子精密测量方向

召集人：荣星

委   员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为

三、新型信息载体与技术方向

召集人：黄元

委   员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星

四、微波与太赫兹物理与技术方向

召集人：孙亮

委   员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔

五、光子与光电子学方向

召集人：肖云峰

委   员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震

六、功率半导体物理与器件方向

召集人：孙钱

委   员：黄森、江洋、周弘、王俊

七、材料物理方向

召集人：于浦

委   员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨

八、低温物理与技术方向

召集人：金魁

委   员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊

九、能量转化、存储与传输方向

召集人：禹习谦

委   员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯

十、极端条件物理与技术方向

召集人：吉亮亮

委   员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚

END

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