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客户成果丨江南大学《Advanced Science》基于底部肖特基接触的超快自驱动WSe2光电探测器

二维材料通过垂直或横向堆叠不同的二维材料所形成的异质结构，可实现整流、光伏转换、载流子分离等功能。然而，这类异质结构的制备通常依赖复杂的转移技术，容易引入界面污染和空隙，从而损害器件的稳定性与可扩展性。相比之下，通过在同一二维材料内局部调控电子特性而构建的同质结策略，具有界面原子级平整、晶格完美匹配和高效载流子输运等显著优势。此外，金属电极制备过程中的高能金属原子轰击二维材料，产生严重的界面损伤及费米能级钉扎现象。因此，研究人员设计一种基于Cr/WSe2/Au的底部电极肖特基光电探测器，通过底部内嵌电极与顶部的Se缓冲层实现低损伤的界面接触，实现超快速光响应和优异的光电性能。

江南大学肖少庆教授/南海燕副教授/肖鹏博士在光电探测器领域中取得最新进展，以“Ultrafast Self-Driven WSe2 Photodetectors with Bottom Schottky Contacts”为题发表在中科院一区期刊《Advanced Science》。

【研究创新点】

1）本研究采用底部嵌入电极设计，避免光信号遮挡并优化载流子分离路径，从结构层面提升光电转换效率与响应速度。并通过与顶部电极结构器件进行性能比较，证实底部结构的优越性。

2）通过引入Se缓冲层改善金属/WSe2界面质量，降低缺陷态密度，抑制费米能级钉扎，实现低势垒欧姆接触，为提升器件性能奠定基础，通过各种表征与肖特基势垒拟合进行验证。

3）为了验证WSe2 BE-Schottky PD的在实际应用中的性能，对其进行光电性能测试，评估其在光电探测能力。

基于WSe2 BE-Schottky PD器件的结构示意图，并对其结构进行详细的表征。通过高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，可以观察到底部内嵌电极与WSe2之间的干净界面。WSe2费米能级为4.8eV，Au的功函数为5.1eV，但是开尔文探针力显微镜（KPFM）测量他们之间电势差为44meV，明显低于理论预期。造成这一差异的主要原因在于在界面引入了 Se 缓冲层，该缓冲层有效改善了金属与WSe2之间的界面质量。该缓冲层降低了界面缺陷态密度，并抑制了费米能级钉扎效应，从而减小了接触处的能带弯曲。

图1 WSe2 BE-Schottky PD器件的结构示意图以及工作原理示意图

研究人员对具有WSe2 BE-Schottky PD器件的电学特性进行了进一步探索。该器件具有典型的肖特基二极管行为，具有正向导通和反向阻断特性，实现了1.07×104的高整流比，1.11的理想因子，以及在不同栅压下都保持出色的整流性能。图2c、2e展示了使用Se缓冲层的Au-Au接触的器件的输出转移特性，证明Se缓冲层沉积后退火去除Se层的工艺可以在WSe2与Au之间形成高质量的欧姆接触。

图2 WSe2 BE-Schottky PD器件的电学性能测试

为了定量研究肖特基势垒(SBH)，研究人员测量了在低温条件下不同电极触WSe2器件的转移特性。基于热电子发射理论，从不同栅极电压下的传输曲线中提取值，以构建阿伦尼乌斯图。通过拟合这些曲线的斜率，得到对应于不同栅压的SBH。可以清晰得到WSe2与Au之间SBH约为40meV，与KPFM测试的电势差相吻合，进一步证实他们之间形成欧姆接触。WSe2与Cr之间SBH约为101meV，形成肖特基接触。

图3 Au接触与Cr接触的肖特基势垒拟合

研究人员对WSe2 BE-Schottky PD器件的光电特性进行了进一步探索。Cr 电极作为底部接触电极，不会遮挡入射光信号。图4h为空间分辨扫描光电流显微镜 (SPCM)，可以看到光生载流子更靠近靠近底电极的耗尽区，有利于其分离。在暗态条件下以及在 633 nm 激光照射下，瞬态光响应随着光功率密度的增加，光生电流迅速上升并趋于稳定，这是由于光生载流子的数量与入射光子的通量成正比。通过将实验数据 (图 4d) 拟合至幂律关系，我们得到了接近 1 (0.91) 的指数值，表明在五个数量级的光强范围内 (0.05 mW·cm-2 到 497 mW·cm-2)，该器件的光电流保持良好的线性关系。线性动态范围 (LDR) 为106 dB。器件的响应度和探测度都在入射光强范围内几乎保持恒定，这种稳定性是典型的光伏效应表现。此外，研究人员测试了存储一年后的器件的光电性能 (图4)，表明该器件具有优异的长期稳定性。图4f展示了在没有偏压条件下的上升和下降时间分别达到8.7 µs和3. 8 µs，这是由于自供电状态下存在的强大且固定的内置电场，它有效地将光生载流子驱出耗尽区。研究人员还对比了顶部和底部结构的器件的光谱响应性能，底部结构的响应度明显优于顶部结构，并且顶部电极器件只在正偏压下有响应。图4i比较了本工作WSe2 BE-Schottky PD与多种已报道的无掺杂肖特基探测器的性能指标，进一步突显了WSe2 BE-Schottky PD 器件在实际应用中的显著优势。