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客户成果丨深圳大学《LASER PHOTONICS REV》：垂直范德华集成p-W0.09Re0.91S2/GaN异质结超高探测率紫外图像传感

深圳大学材料学院刘新科老师课题组在范德华异质结构光电探测传感领域取得重要进展。研究成果以“Vertical van der Waals Integrated p-W0.09Re0.91S2/GaN Heterojunction for Ultra-High Detectivity UV Image Sensing”为题发表在光学领域Top期刊《Laser & Photonics Reviews》上。

范德华（vdW）异质外延技术的不断进步为异质材料的集成和功能化开辟了广阔的前景。在这项研究中，他们成功制造了一种基于p-W0.09Re0.91S2/GaN的2D/3D vdW异质结光电探测器，该探测器集成在自由支撑（FS）-GaN基底上，包括水平、准垂直和垂直结构。通过采用一系列性能提升策略，包括混合维度堆叠、p型掺杂、II型能带对齐和垂直结构设计，开发的垂直结构光电探测器展现出了卓越的性能。具体来说，探测器实现了高达497.60 A/W的高响应度，令人印象深刻的特定探测率为8.41×1013 Jones，以及快速的响应速度（上升/下降时间为10 ms/20 ms）。此外，该设备已成功应用于单像素成像领域，证明了其在实际应用中的潜力。这项工作的发现不仅标志着光电器件领域在集成和光电性能方面取得了显著进展，而且预示着成像技术应用中的新突破。

图1 a )通过一步熔盐辅助CVD法合成2D / 3D WxRe1-xS2 / GaN垂直异质结的示意图。b )基于p-WxRe1-xS2 / GaN ( 0001 )准垂直和垂直异质结的光电探测器。c ) WxRe1-xS2扭曲的1T相的俯视图( up )和侧视图。蓝色代表Re原子，黄色代表S原子，红色代表掺杂的W原子。d )制备的WxRe1-xS2在GaN ( 0001 )上的透射电子显微镜( TEM )截面图像和合金中相应的 e ) S，f ) Re，g ) W和h ) N，Ga元素的EDS元素mapping图像。i )使用514 nm激光线对ReS2和WxRe1-xS2/GaN异质结进行室温拉曼表征。j ) ReS2和WxRe1-xS2合金的PL光谱。

该研究团队通过一步熔盐辅助化学气相沉积（CVD）技术成功在自由支撑（FS）-GaN基底上合成了p-WxRe1-xS2/GaN异质结构，具体包括水平、准垂直和垂直结构，如图1（a），（b）所示。在图1（d）中，通过高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）观察到GaN基底上生长的3层WxRe1-xS2连续薄膜，图1（e-h）中能量色散光谱（EDS）映射确认了S、Re、W、N和Ga元素在界面的均匀分布。拉曼光谱分析揭示了由于W掺杂引起的ReS2振动模式的蓝移，这是由于空穴载流子密度的增加导致电子-声子散射减少，如图1（i）所示。图1（h）光致发光光谱（PL）显示，W掺杂后ReS2的带隙发生变化，从原始的1.50 eV降至1.42 eV，表明掺杂成功将材料从n型转变为p型半导体。

图2 p-W0.09Re0.91S2/GaN异质结光电探测器在365 nm光照下的示意图。a ) p-W0.09Re0.91S2/GaN上的光电流(紫线)和暗电流(黑线)，b )准垂直p-W0.09Re0.91S2/GaN异质结，c )垂直p-W0.09Re0.91S2/GaN异质结。d )三种异质结集成器件与GaN的光开关比和探测率对比。e ) p-W0.09Re0.91S2/GaN异质结在形成接触时的能带图。f ) p-W0.09Re0.91S2/GaN异质结在反向偏压光照下的能带图。

图2展示了p-W0.09Re0.91S2/GaN异质结构在光电探测领域的出色性能。在实验中，研究团队在同一GaN基底上精心制备了多种结构的器件，确保了实验数据的精确性和可比性，如图2（a-d）所示。在365 nm紫外光的照射下，团队详尽地研究了这些不同结构器件的光响应特性。通过采用ICP刻蚀技术和优化垂直结构设计，器件的光电转换效率和响应速度得到了显著提升。特别是，垂直结构的光电探测器在-5 V偏压和365 nm光照射条件下，其暗电流降至4.1 nA，光电流增至249.3 μA，光开关比高达5.4×104，彰显了卓越的光电响应性能。这些性能的显著提升主要得益于II型能带对齐，它促进了光生载流子的有效分离，内建电场加速了载流子的分离和传输。此外，减少的表面缺陷和复合陷阱进一步降低了暗电流并增强了器件的稳定性。值得一提的是，垂直结构器件在不同波长的光照射下展现了宽光谱响应能力，证实了其在高灵敏度光电探测领域的应用潜力。图2（e-f）进一步阐释了在光照条件下p-W0.09Re0.91S2/GaN异质结的能带排列和光电流响应机制。由于GaN和p-W0.09Re0.91S2之间的能级差异，形成了有利的内建电场，这一电场促进了载流子的有效分离，从而增强了光电探测器的光响应性能。

图3 a )可见光单像素成像应用的测量装置示意图。(b , c)分别为365 nm和660 nm光照下' SZU '模式成像结果

图3着重展示p-W0.09Re0.91S2/GaN异质结光电探测器在高分辨率成像领域的显著应用潜力。利用该探测器的快速响应和卓越稳定性，结合单像素扫描成像技术，研究团队深入挖掘了其在紫外及可见光成像方面的应用前景。如图3（a）所描绘的光学成像系统框架中，光电探测器扮演了单一感测像素的角色。系统中安置了一个刻有“SZU”字样的空心掩模，位于光电探测器与单模激光器之间，该掩模能够实现沿X-Y轴的自动微米级精确移动。通过设定掩模以2微米的步进移动，并借助锁定放大器来捕获电流信号，研究者构建了一幅基于位置的光电流映射图像。实验结果揭示，在365 nm和660 nm波长的光照条件下，成功捕获了具有高分辨率和高对比度的“SZU”字样图案，如图3(b)和图3(c)所示。这一成果不仅证实了p-p-W0.09Re0.91S2/GaN异质结光电探测器在高分辨率成像技术中的实用性，也突显了其在未来成像技术应用中的广阔前景。