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客户成果丨华南师范大学《Advanced Optical Materials》用于近红外下一代自动避障系统的超快全耗尽型SnSe₂MoTe₂SnSe₂异质结光电探测器

华南师范大学电子科学与工程学院（微电子学院）高伟副研究员课题组、潘源特聘副研究员、广东省工业分析检测中心高级工程师陈文龙、佛山市国星半导体技术有限公司周鑫在自驱动光电探测器用于避障系统领域中取得最新进展，该研究成果以“Ultrafast Fully Depleted SnSe2/MoTe2/SnSe2 Heterostructure Photodetector for Near-Infrared Next-Generation Automatic Obstacle Avoidance Systems”为题发表在《Advanced Optical Materials》上。

随着驾驶辅助系统（ADAS）的体系化演进，在后摩尔时代，自动避障模块已成为现代车辆系统的核心功能单元。实现该功能需要具备高响应度、高探测率和快速响应能力的红外光电探测器。本文展示了一种基于背对背III型SnSe2/MoTe2/SnSe2（SMS）垂直双异质结的全耗尽型自驱动近红外二维光电探测器。通过Sentaurus TCAD仿真与理论计算证实，SMS双异质结中的中间MoTe2层可实现完全耗尽。得益于非对称双内置电场对光生载流子的有效分离和纳米级垂直传输距离，该SMS双异质结在808 nm光照下实现了1.1×1011 Jones的比探测率和889 mA/W的显著响应度。更重要的是，该器件具备快速响应特性，上升/衰减时间为16/27 µs。这些卓越性能表明该器件在高速近红外传感场景中具有强大适用性，可成功应用于自动避障系统。本研究为基于III型双异质结架构设计新一代近红外光电探测器提供了创新策略。

图1. SnSe2/MoTe2/SnSe2双异质结表征。a) 基于SnSe2/MoTe2/SnSe2双异质结的光电探测器示意图。b) 从上至下分别为顶层SnSe2、中间层MoTe2和底层SnSe2的厚度测量结果。c) 异质结构、MoTe2及SnSe2的拉曼光谱。d) SnSe2/MoTe2/SnSe2的高分辨率透射电子显微镜图像。e) 制备器件的扫描透射电子显微镜图像及相应能谱分析图谱。

图2. SMS双异质结（器件-I）的表面电位差、能带排列与扫描光电流显微镜表征。a) MoTe2/顶层SnSe2与MoTe2/底层SnSe2横向界面的表面电位差。b) 接触前顶层SnSe2、MoTe2与底层SnSe2的能带图。c) 近红外光照下接触后三者的能带排列。d–f) 不同光功率密度下SMS双异质结的扫描光电流显微镜成像。

图3. SnSe2/MoTe2异质结与SMS双异质结的Sentaurus TCAD仿真及光照下Ids-Vds曲线。a) 0V偏压下SnSe2/MoTe2异质结的垂直方向电势分布仿真。b) SnSe2/MoTe2异质结沿垂直方向的内建电场分布。c) SnSe2/MoTe2异质结的电流密度曲线。d) 0V偏压下SMS双异质结的垂直方向电势分布仿真。e) SMS双异质结沿垂直方向的内建电场分布。f) SMS双异质结的电流密度曲线。

图4. SMS双异质结的光伏特性。a) 808 nm不同功率光照下SMS双异质结的Ids-Vds曲线。b) 808 nm不同光功率密度下SMS双异质结的时间分辨光响应曲线。c) 808 nm光照下SMS双异质结的短路电流(Isc)和开路电压(Voc)随光功率密度变化关系。d) 五个SMS双异质结器件在808 nm光照下的响应度(R)和外量子效率(EQE)误差棒分析随光功率密度变化关系。e) 808 nm光照下SMS双异质结的比探测率(D*)和光开关比(Ion/Ioff)误差棒分析随光功率密度变化关系。f) 归一化瞬态响应曲线，红色曲线分别对应上升沿和衰减沿的指数拟合结果。g) 基于二维材料的自驱动光电探测器比探测率(D*)性能对比。h) 基于二维材料的自驱动光电探测器响应度(R)性能对比。i) 基于二维材料的自驱动光电探测器上升时间性能对比。

图5. SMS双异质结在自动避障系统中的应用。(a) 小车实物图。(b) 避障模块电路示意图。(c) 小车识别障碍物前后的预期行为示意图。(d) 当AOA系统中探测器在两侧均检测到障碍物时，小车保持直线行驶。(e) 当左侧探测器识别障碍物时，小车按箭头指示右转避障。(f) 右侧探测器检测到障碍物时，小车左转绕行。