客户成果丨华南师范大学《APL》：界面工程策略——通过构建垂直结来降低二维光电探测器噪声并提高灵敏度

华南师范大学半导体科学与技术学院霍能杰课题组在高性能二维光电探测器研究领域取得最新进展，该研究成果以“Interface engineering by constructing vertical junction for reduced noise and improved sensitivity in 2D photodetector ”为题发表在《Applied Physics Letters》上。

二维（2D）材料已被证明是下一代光电探测器最有前途的材料，而较大的沟道电流仍然是光电探测器灵敏度的限制因素。在这项工作中，通过在二维WS2沟道中构建一个垂直的pn结和肖特基结，从而降低了暗电流和噪声谱密度，显著提高了灵敏度。具体来说，WS2的底面与p型碲（Te）纳米线和金（Au）条耦合，因此可以在WS2/Te和WS2/Au界面上分别构建一个垂直的pn结和Schottky结。在这两种器件结构中，由于WS2沟道中耗尽区的形成，暗电流和噪声谱密度都得到了很大的抑制。同时，结处的平面外内建电场可以促进光生电子-空穴对的分离，从而产生更快的时间响应。对于WS2/Au器件，入射光可以被底部的Au反射并再次通过WS2层传播，进一步提高了光吸收，从而提高了光电探测器的灵敏度。所设计的WS2光电探测器的噪声光谱密度低至5.36×10-14 AHz-1/2，比探测率（D*）高达1.12×1011 Jones，与原始器件相比提高了1-2个数量级。这为实现二维光电探测器的低噪声、高灵敏度提供了一种有效的且通用的界面工程策略。

如图1所示为设计的两种器件结构的示意图以及两种器件结构的能带分析图。

图1器件结构及分析。（a，b) WS2/Te光电探测器的示意图和光学显微镜图像。(c) 耦合前后WS2/Te异质结构的能带图。（d-f) 与（a-c) 相同，但对于WS2/Au异质结构。

图2和3分别为：由Te耦合的WS2与单一WS2的光电性能对比图以及由Au耦合的WS2与单一WS2的光电性能对比图。可以看到耦合后的WS2的噪声谱密度降低了1-2个数量级，比探测率提高了1-2个数量级。

图2 由Te耦合的器件在635 nm光照下的光电性能对比。(a) WS2和WS2/Te器件在y轴对数坐标下的I-V曲线 (b) Vds = 1 V时的噪声谱密度 (c) 光电流（Iph）作为入射光功率的函数以及由幂律方程得到拟合曲线 两种器件在不同光强下的 (d) 比探测率和 (e) 开关比 (f)原始WS2和Te耦合WS2的响应时间。

图3 由Au耦合的器件在635 nm光照下的光电性能对比。(a) WS2和WS2/Au器件在y轴对数坐标下的I-V曲线 (b) Vds = 1 V时的噪声谱密度 (c) 光电流（Iph)作为入射光功率的函数以及由幂律方程得到拟合曲线 两种器件在不同光强下的 (d) 比探测率和 (e) 开关比 (f) 原始WS2和Au耦合WS2的响应时间。

该工作中通过使用 TuoTuo Technology 的无掩膜紫外光刻机得到了器件沟道。

作者信息介绍：华南师范大学半导体科学与技术学院硕士生杨亚妮为文章第一作者，霍能杰研究员为论文的通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1063/5.0200838