客户成果丨江南大学《Advanced Science》：基于WSe2h-BNGraphene异质结的二维可编程光电探测器

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 Programmable Photodetectors Based on WSe2/h-BN/Graphene Heterojunctions”为题发表在《Advanced Science》上。

本文提出了一种可编程的非易失性双极型半浮栅光伏光电探测器（SFG-PD），由二硒化钨（WSe2）、六方氮化硼（h-BN）和石墨烯（Gra）构成。通过控制施加在控制栅上的电压脉冲，器件可在内部产生相反的内建电场结（p+-p结和n-p结），从而实现光响应的正负可逆切换，并具有最快达2.02 μs的快速响应时间。此外，本文还展示了该器件在光电混合双通道通信中的应用，提供了一种实现高速、大容量、低损耗和高安全性的多通道通信的实用解决方案。

图1. 在WSe2/h-BN/Gra异质结中实现非易失性p+-p/n-p结。a) 在不同栅压脉冲下，WSe2的半对数坐标IDS-VDS曲线。b) WSe2在不同栅压脉冲下的整流比。c) WSe2 SFG-PD器件在施加并释放正Vcg至Si控制栅条件下的工作示意图。d) WSe2 SFG-PD器件在施加并释放负Vcg至Si控制栅条件下的工作示意图。e) 在施加+20 V栅压脉冲下，WSe2的时间依赖半对数IDS-VDS曲线。

该研究设计并制造了基于二维材料的可编程光伏光电探测器，通过静电掺杂的方式形成可调的内建电场，从而实现对器件内部主导载流子的动态调控，如图1c和1d所示。这种方法克服了传统光伏探测器在内建电场单向性、光吸收能力弱、载流子输运行为固定等方面的局限。它还能够实现多种类型结的构建，包括p+-p结和n-p结，为可编程光伏光电探测器在光电混合通信系统中的实际应用铺平了道路。

图2. WSe2 SFG-PD器件的可重构光伏特性。a) 在不同工作波长下，WSe2 SFG-PD器件的可切换光电响应测试。b) WSe2 SFG-PD器件半对数光输出曲线。c) WSe2 SFG-PD器件可逆光响应测试。d,e) 在Vcg脉冲为±20 V器件自驱动的响应率（R）和比探测率（D*）。f,g) 在Vcg脉冲为±20 V器件的噪声等效功率（NEP）和外量子效率（EQE）。h) 在Vcg脉冲为±20 V、0 V偏压和637 nm波长下，器件光电流与光强之间的拟合关系。

测试结果表明，在 ±Vcg 脉冲调控下可分别形成 p+-p 和 n-p 同质结，从而产生具有相反内建电场方向的强光伏效应。因此，在 637 nm激光照射下，器件表现出可重构的整流特性及可逆的正负光伏行为，如图3c所示。在两种模式（p+-p 和 n-p 结）下，器件的自驱动响应率（Responsivity）分别达到 2.76 A/W 和 1.63 A/W，比探测率（Detectivity）分别为 7.86 × 1011 和 4.42 × 1011 Jones，超过了其他同类半浮栅光伏光电器件的性能。其自驱动下的噪声等效功率（NEP）与外量子效率（EQE）分别为 4.76 × 10-15 W/Hz1/2 和 8.47 × 10-15 W/Hz1/2以及 537% 和 318%，并实现高达2.02 μs的快速光响应，表明了该器件具有将光信号高效转换为电信号的卓越能力。

图3. 双通道光电混合通信。a) 基于 WSe2 SFG-PD 器件的双通道光电混合通信的示意图。b) 该双通道光电混合通信系统传输包含信息流“6C5F”和“5357”的输入与输出信号，并通过 Unicode 编码解码出中文字符。

鉴于可编程光伏型光电探测器在通信领域的重要性，我们将 WSe2 SFG-PD 器件应用于一种采用双通道并行时分复用模式的光电混合通信系统中。借助该器件特殊结构所赋予的独特功能，我们实现了对二进制光电混合输入信号的实时输出，并将其转换为平衡三进制电信号。器件输出的模拟电信号经过计算机程序处理后被转换为数字电信号，随后再转化为 ASCII 和 Unicode 编码，最终呈现为中文字符。由此可见，凭借其高速响应与出色的安全性，WSe2 SFG-PD 器件在光电混合通信领域展现出广阔的应用前景。

该工作中通过使用TuoTuo Technology 的无掩模光刻机进行了接触电极图案化光刻。

作者信息介绍：江南大学集成电路学院硕士生王智豪和江南大学集成电路学院教师菅佳玲为共同一作，肖少庆教授为论文的通讯作者。

该工作受到了中国自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202417300