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客户成果丨华南师范大学ACS AMI：高性能线偏振敏感WSe₂SnS₀.₂₅Se₀.₇₅异质结光电探测器：II型能带排列与栅极调控各向异性输运协同

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在高性能线性偏振敏感光电探测器领域中取得最新进展，该研究成果以“High-Performance Linear Polarization-Sensitive WSe2/SnS0.25Se0.75 Heterojunction Photodetectors: Synergy of Type-II Band Alignment and Gate-Modulated Anisotropic Transport”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

研究背景

线性偏振敏感光电探测器通过解码偏振状态来增强光电传感能力，从而实现诸如恶劣环境下的成像、目标识别、深度剖面测量和环境监测等功能。传统的实现方案依赖于笨重的外部光学元件（例如偏振片和光栅），这阻碍了器件的微型化。二维（2D）材料凭借其固有的面内各向异性，可在无需外部光学元件的情况下实现偏振识别，并促进芯片集成。新兴的二维各向异性半导体（如黑磷 (BP)、ReS2）和半金属（如 WTe2、TiS3）在线性偏振敏感光探测方面展现出巨大潜力。然而，基于单片材料的光电探测器面临固有局限，范德华 (vdW) 异质结策略通过能带工程和协同层间响应克服了这些限制。当前的设计主要采用各向异性/各向同性或各向异性/各向异性材料的组合。然而，这两种结构都必须在级联电路中平衡导电性、栅极调制和吸收系数，这给通用设计和低功耗运行带来了挑战。诸如角度依赖的有效质量、随机堆叠和任意电极图案化等问题会进一步降低电学和偏振探测性能。最近，一种新的方法应运而生：将面内各向异性材料结合到各向同性沟道中，以诱导出晶格取向的光响应。该方法利用了面内体光伏效应等效应，为线性偏振敏感探测开辟了一条新途径，同时克服了传统异质结的局限性。

创新点

为了解决上述传统线性偏振敏感光电探测器面临的局限，创新性地构建了一种基于WSe2/SnS0.25Se0.75范德华异质结的线性偏振敏感光电探测器。该研究通过物理气相沉积（PVD）合成了超薄的SnS0.25Se0.75纳米片，并通过将其与各向同性的多层WSe2结合，制备了垂直范德华异质结。该异质结形成了II型能带对齐，这促进了光生载流子的有效空间分离，并通过层间耦合在原本各向同性的WSe2沟道中诱导出人工各向异性。因此，在-7.8 V的栅极电压下，该器件表现出显著的栅极可调电导各向异性，扶手椅方向与之字形方向比值达到257（在空穴掺杂下可降至 < 1），迁移率各向异性比为 2.76。在635 nm照射下，沿扶手椅方向的光电导值比沿之字形方向高 4.9 倍，线性偏振比 (LPR) 为 7.8。此外，该器件实现了2.57 A/W 的峰值响应度、5.76 × 1010 Jones 的比探测率以及 2.86/2.24 ms 的上升/衰减时间。这项工作展示了线性偏振敏感光电探测器的新设计范式，利用了合金工程各向异性结合各向同性沟道，不仅实现了高性能，还为各向异性光电子器件的设计提供了宝贵的见解。

图1. 展示了WSe2/SnS0.25Se0.75异质结构中WSe2的E12g和A1g模式的角分辨偏振拉曼（ARPR）强度色图，从中可见明显的周期性变化特征。在异质结区域内，WSe2的特征拉曼模式在样品旋转下表现出明显的双叶状、8 字形调制，表明诱导振动各向异性的出现。该异质结构的角分辨偏振光致发光 (APPL) 光谱也显示出明显的面内各向异性，这与拉曼响应中观察到的振动各向异性相一致。这一观察结果提供了直接的光谱证据，表明各向异性SnS0.25Se0.75晶格的界面耦合破坏了WSe2的固有面内对称性。

图2. 展示了WSe2/SnS0.25Se0.75器件的3D示意图。该器件制备于SiO2/Si衬底上，其中300 nm厚的SiO2层用作栅极绝缘层，栅源电压施加于p++型硅层。SnS0.25Se0.75纳米片采用PVD法合成，而WSe2则是通过机械剥离获得，随后采用干法转移技术进行有序堆叠。原子力显微镜（AFM）确认了各层的厚度，光致发光（PL）光谱的显著猝灭表明，光生载流子在异质结界面处实现了高效的分离与转移。此外，构建了完整的能带图，证实了II型错位能带排列。

图3. 探究了635 nm激光照射下WSe2/SnS0.25Se0.75异质结的光电特性。栅极可调各项异性电导IAC/IZZ跨度达两个数量级，从Vgs=60 V时的3.9增加到Vgs=-7.8 V时的257。这一65倍的调制范围远超已报道的二维各向异性材料。时间分辨光电流测试显示了不同方向上的各向异性光电特性，其中扶手椅方向的光电流最高（7.8 nA），之字形方向的光电流最低（1.6 nA），这与导电性趋势一致，从而得出的光导各向异性比为4.9。

图4. 展示了在Vds= -1 V条件下，405、635和808 nm波长下的时域光响应曲线均表现出稳定、快速且宽带的光电流响应。同时测试了器件沿扶手椅方向和之字形方向从暗态到45.8 mW/cm2的不同入射光功率密度下的Ids-Vds曲线。进一步，通过响应度（R）、外部量子效率（EQE）、比探测率（D*）以及上升和衰减时间来量化探测器沿扶手椅方向和之字形方向的光探测能力。

图5. 探究了WSe2/SnS0.25Se0.75光探测器在 E1-E2（与SnS0.25Se0.75的扶手椅方向对齐）和 E3-E4 电极对（与SnS0.25Se0.75的之字形方向对齐）上的光开关响应，在偏振角从0°到360°旋转期间，光电流表现出180°周期性调制，且沿SnS0.25Se0.75的扶手椅方向，线性偏振性能显著增强，沿扶手椅方向在θ = 120°处达到最大光电流。沿扶手椅方向的线性偏振比 (LPR = Imax/Imin) 达到 7.8，但在之字形方向上仅为 2.1。为了阐明偏振依赖的光响应分布并分析沿 E1-E2 电极的电荷传输机制，在 638 nm 偏振激光照射下，分别于 θ = 0° 和 120° 进行了扫描光电流映射测量（SPCM）。发现光电流仅在异质结区域内强烈产生，这凸显了WSe2/SnS0.25Se0.75异质结在电荷分离以及沿空间电荷区传输过程中的关键作用。这种局域化现象表明，光生载流子生成与分离过程主要受II型异质结界面支配。此外，与各向异性SnS0.25Se0.75晶格的界面耦合打破了WSe2的面内对称性，诱导出一种人工各向异性，使得载流子输运对由底层晶体定义的偏振方向变得敏感。

图1. (a) WSe2/SnS0.25Se0.75异质结构的角度分辨偏振拉曼光强图。(b) E12g和(c) A1g模式拉曼强度的极坐标图。(d) WSe2/SnS0.25Se0.75异质结构的角度分辨偏振光致发光光强图。SnS0.25Se0.75基底上WSe2的(e) 780 nm和(f) 900 nm两个峰的光致发光强度极坐标图及拟合曲线。

图2. WSe2/SnS0.25Se0.75异质结器件的结构特征。(a) WSe2/SnS0.25Se0.75器件的示意图。(b) 器件的光学显微镜图像，刻度尺：5 µm。E1和E2是沿扶手椅方向的电极对，而E3和E4是沿之字形方向的电极对。(c) WSe2/SnS0.25Se0.75异质结的原子力显微镜图像。插图显示了SnS0.25Se0.75和WSe2边缘处的高度变化。(d) SnS0.25Se0.75、WSe2及WSe2/SnS0.25Se0.75异质结构的拉曼光谱。(e) WSe2及 WSe2/SnS0.25Se0.75异质结构的光致发光光谱。(f) 单独状态下SnS0.25Se0.75和 WSe2的能带结构。

图3. 635 nm激光照射下WSe2/SnS0.25Se0.75异质结的光电特性。(a) 黑暗条件下不同电极取向下WSe2/SnS0.25Se0.75异质结的Ids–Vds曲线。(b) 不同电极取向下WSe2/SnS0.25Se0.75异质结的转移曲线：蓝线：E1-E2；橙线：E3-E4；红线：E1-E4；绿线：E2-E3。(c) 从图3b中的转移曲线中提取的最大电学各向异性比IAC/IZZ随栅极电压的变化曲线。(d) 沿不同电极方向在635 nm激光照射（光功率密度为52.8 mW/cm2）下的Ids–Vds曲线，以及(e)光响应曲线。(f) 沿AC方向在光照下施加正偏压后的WSe2/SnS0.25Se0.75能带结构。SnS0.25Se0.75、WSe2/SnS0.25Se0.75及其他二维材料沿AC和ZZ方向的 (g) 电导率、(h) 迁移率及 (i) 光电导率的面内各向异性比较。

图4. (a) WSe2/SnS0.25Se0.75异质结构在不同波长光照（Pin = 52.8 mW/cm2）下的光响应曲线。(b) 异质结在635 nm激光照射下，沿AC方向和ZZ方向不同光功率密度时的Ids-Vds曲线。(c) 沿AC方向及(d) ZZ方向，在不同635 nm激光功率密度下的光响应曲线。(e)-(g) 沿AC和ZZ方向，在不同635 nm入射光功率下的R、Iph、EQE和D*值。(h) WSe2/SnS0.25Se0.75异质结沿AC方向的上升和衰减时间，以及(i) 沿ZZ方向的上升和衰减时间。

图5. (a) 用于测量器件偏振光探测能力的实验装置示意图。(b) 在 Vds = -1 V 条件下，635 nm光照射下沿 AC 方向和 (c) ZZ 方向的偏振角依赖性时间分辨光电流线性图。(d) 沿 AC 方向和 (e) ZZ 方向的偏振角依赖性光电流极坐标图及拟合结果。在 638 nm 照射下，光功率密度为 30 mW/cm2，光斑直径为 26.7 μm，Vds = -1 V 且沿 E1-E2 电极方向时，器件的空间光电流映射图像，分别对应 (f) θ = 0° 和 (g) θ = 120°。电极轮廓由白色虚线标出。(h) 基于各向异性/各向异性材料的光电探测器、各向异性/各向同性材料的光电探测器、以及采用各向异性材料作为中间层、各向同性材料作为沟道的光电探测器的偏振比比较。