客户成果丨江南大学《Applied Physics Letters》基于非对称接触界面Mote2同质结高性能自驱动宽带光电探测器

为了实现高性能的光电探测器，在半导体中构造PN结是必不可少的。基于二维材料的范德瓦耳斯结具有层间相互作用弱、光质相互作用强的特点。在范德瓦耳斯结界面处形成的内建电场促进光生载流子的分离和有效转移。因此，由范德瓦耳斯结组成的自供电光电探测器在没有外部偏压的情况下将光转换为电信号，展示了零功耗图像传感器的良好前景。然而，异质结中的晶格失配和制造过程中的转移过程导致界面处的污染和缺陷，包括不连续的能带对准，界面处的应变和陷阱，以及严重的载流子散射，限制了二维材料在集成自供电光电子学中的应用。因此，非常有必要有一种简便的方法来构造在外部栅极下具有灵活可调谐性的高灵敏度光电探测器组件。

江南大学集成电路学院南海燕、肖少庆课题组在光电探测器领域/研究中取得最新进展，该研究成果以“High-performance, broadband, and self-driven photodetector based on MoTe2 homojunction with asymmetrical contact interfaces”为题发表在 《Applied Physics Letters》上。

图1 a) 示意图。b) 光学图像。c) 原子力显微镜图像。d) 厚MoTe2区域和薄MoTe2区域的拉曼光谱。e) MoTe2同质结的E12g模式的拉曼映射。f) MoTe2同质结的输出特性。g) 薄MoTe2区域的转移特性曲线。h) 厚MoTe2区域的传输特性曲线。i) MoTe2同质结的传输特性曲线。

通过机械剥离的方法成功制备了同质结光电探测器，其中厚层MoTe2具有N型特性而薄层MoTe2具有P型特性，在界面处产生内置场，允许光生载流子的显著分离，表现出明显的自驱动行为。根 据厚薄MoTe2不同的费米能级选择对应匹配功函数的金属进一步提升了光电性能，器件整流比增大到4.6×103。

图2 器件的自驱动光响应性能。a)不同功率1550 nm激光照射下的光响应。b)不同波长激光照射下的最大响应度。c)不同波长激光照射下响应度随光功率变化关系。d)不同波长激光照射下探测率随光功率变化关系。

此结构显示出了出色的自驱动光电性能，零偏压下，在光斑面积为3×10-9 m2的情况下，光响应度达到28 mA/W（637 nm），并将红外探测拓宽到1550 nm，在光电子学和光信号探测中具有潜在的应用。

图3 基于MoTe2同质结的自驱动光电探测器的响应时间。a)光电二极管的上升时间。b)光电二极管的下降时间。c)不同频率下光电二极管的上升和衰减时间。在532 nm激光照射下下具有d）2和e）18 kHz的调制频率的快速和可再现的光电流切换。f)归一化光电流作为频率的函数。

响应速度是光电探测器的一个关键参数，它决定了它跟踪快速变化的光信号的能力。器件在零偏压下表现出快速的光响应，其上升/衰减时间为38.83/40.17 μs。

该工作通过使用TuoTuo Technology的无掩模光刻机完成了MoTe2同质结光电探测器的制备工作。该研究得到了江苏省自然科学基金、江西省自然科学基金、教育部量子材料与器件重点实验室开放研究基金（东南大学）等项目的资助。

作者信息介绍：江南大学集成电路学院硕士生邵康伟和教师翁正进为文章的共同第一作者，南海燕老师为论文的通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1063/5.0254935