客户成果丨江南大学《Advanced Optical Materials》选择性等离子体掺杂2D WSe2MoS2 p-i-n垂直异质结光电探测器

江南大学集成电路学院肖少庆课题组在光电子学领域/研究中取得最新进展，该研究成果以“2D WSe2/MoS2 p-i-n Vertical Heterojunction Photodetectors by Selective Plasma Doping”为题发表在《Advanced Optical Materials》上。

与传统pn结相比，基于p-i-n结构的二维材料的光电探测器通过加宽耗尽区来增强光响应度，并通过减小结电容来提高响应速度。但由于缺乏成熟可控的掺杂工艺，基于二维材料的p-i-n异质结构光电探测器鲜有报道。

本文提出了一种通过等离子体选择性掺杂制备的二维WSe2/MoS2 p-i-n垂直异质结光电探测器。该器件不仅保留了垂直异质结的宽结区，而且与本征层（i层）协同加宽了耗尽区宽度，增加了光电活性面积，同时内部形成了强的内建电场，大大加速了光生载流子的快速分离与输运。p-i-n 垂直异质结光电探测器具有高响应度和超快响应时间（𝝉r = 7.3 μs，𝝉f = 5.49 μs），比原始 WSe2/MoS2 异质结提高了近 100 倍。在自驱动条件下，该器件的最大响应度为 0.32 A W−1，探测率为 637 nm 处的 3.41 × 109 Jones。此外，由于带间跃迁，实现了近红外 (NIR) 的稳定探测。这些发现有望推动光电检测技术的开发和应用。

图1. a)选择性掺杂的WSe2/MoS2 p-i-n垂直异质结示意图。b)和c) p-i-n垂直异质结的AFM图像和高度图（蓝线和红线对应WSe2和MoS2薄膜）。d)、e)等离子处理前后WSe2和MoS2薄膜的KPFM数据（插图为光学显微镜和KPFM图像，数字1和2分别代表等离子处理前后）。f)裸露的WSe2、MoS2、WSe2/MoS2异质结的拉曼光谱。g)、h) NH3等离子体处理MoS2前后核心能级处Mo 3d和S 2s的结合能峰对应的XPS光谱，以及O2等离子体处理WSe2前后W 4f的结合能峰对应的XPS光谱。

图 2. a) 在447 nm照明下，不同入射光功率 (P) 的 WSe2/MoS2 p-i-n 垂直异质结器件的输出曲线。b) 器件的短路电流 (Isc，紫线) 和开路电压 (Voc，蓝线)是P的函数。紫线显示Isc与P依赖关系的线性拟合。c) 在0V偏置电压下，447、637 nm 照明下原始 WSe2/MoS2 异质结和p-i-n垂直异质结的Iph和P依赖性曲线。d、e、f) 是响应度(R)和探测率(D*)与P的关系。分别针对0和1V偏置电压下的选择性掺杂、原始和表面掺杂光电探测器。g,h,i)分别对应选择性掺杂、原始和表面掺杂的WSe2/MoS2垂直异质结的示意图。

与传统的WSe2/MoS2 p-n异质结构相比，选择性等离子掺杂的WSe2/MoS2 p-i-n垂直异质结器件在施加外部电场时由于本征层的存在表现出增强的能带弯曲。能带弯曲效应增强了器件的电流和整流性能，使p-i-n垂直异质结器件具有优异的光电性能。

图 3. a、b) 分别展示了 WSe2/MoS2 p-i-n 垂直异质结器件在自驱动下在不同NIR波长下的可切换光响应和响应度。c) p-i-n 垂直异质结的能带图。d、e) 示波器测得的零偏压下 p-i-n 垂直异质结光电探测器的响应时间，激光波长为 633 nm。f) 该光电探测器的宽带频率响应。

而且，在近红外区域，增强的电场显着提高了WSe2/MoS2 p-i-n 垂直异质结器件的层间跃迁效率，从而可以在更宽的光谱范围内进行有效检测，包括 1550 nm。同时，p-i-n 垂直异质结结构的有效光电转换主要归因于i层，它扩展了耗尽区。这导致自驱动模式下产生强大的内建电场，使光生载流子能够快速分离，减少载流子复合，从而大大缩短响应时间。

该工作中通过使用TuoTuo Technology 的无掩模光刻机制备了一系列WSe2/MoS2 垂直异质结的光电器件。

作者信息介绍：江南大学集成电路学院博士生吴倩倩为文章的第一作者，肖少庆教授和南海燕教授为论文的共同通讯作者。

该工作受到了中国自然科学基金、江苏省自然科学基金、国家博士后基金、江苏省博士后基金、江苏省研究生研究与实践创新计划、111项目等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adom.202402378