華中科大翟天佑 ? Adv. Mater.：集高探測靈敏度和光響應度于一身的隧穿二極管

【引言】

近年來，基于原子層厚度的范德華異質結由于其豐富的電子、能帶結構而在光電子器件領域受到廣泛關注。目前常見的范德華異質結光探測器都是基于光電導/光柵效應、光伏效應等。然而這些兩大類探測器通常無法同時具備較高的光響應度和探測靈敏度（光響應開關比）。例如：a）對于光電導/光柵效應而言，電子或空穴被本征態捕獲，這些載流子則作為本征柵極延長光生載流子的躍遷時間，導致形成較高的光響應度，然而伴隨著的則是較慢的響應速度以及較低的響應開關比；b）對于光伏效應而言（p-n二極管），在負偏壓下，由于結區勢壘抑制得到較低的暗電流，從而得到較高的響應開關比，然而由于溝道內主要靠少子導電，所以光響應度較低。因此，構筑同時具有較高的光響應度和探測靈敏度（光響應開關比）的新型異質結是非常有意義的。

【成果簡介】

近日，來自華中科技大學的翟天佑教授團隊在Advanced Materials期刊上發文，題為Tunneling Diode Based on WSe₂/SnS₂ Heterostructure Incorporating High Detectivity and Responsivity。研究人員通過機械轉移的方法在hBN襯底上構筑了基于WSe₂/SnS₂的隧穿p-n二極管。通過Raman、PL等表征手段發現WSe₂和SnS₂結區具有較強的層間耦合作用。通過電學測試發現器件在負偏壓下，暗電流主要由耗盡層決定處于噪聲水平。然而在正偏壓下，器件暗電流主要由direct tunneling和FN tunneling決定。對這種特殊二極管的光電響應性能進行測試，在負偏壓下以及光照下，與傳統的p-n二極管不一樣，該器件不僅具有較高的光響應開關比（10⁵），同時由于光照下產生大量的光生載流子，使得載流子以直接隧穿的方式躍過耗盡區，從而使得多子都可以參與導電過程得到了較高的光響應度。并且通過柵壓的調控可以在負偏壓下同時得到較高的探測靈敏度（10¹³ Jones）、光響應開關比（10⁶）、光響應度（244 A/W）。論文的第一作者為華中科技大學講師周興，翟天佑教授為論文通訊作者。

【圖文導讀】

圖1 SnS₂/WSe₂異質結的光學表征

（a-b）SnS₂/WSe₂異質結的示意圖

（c）SnS₂/WSe₂異質結的光學照片

（d）SnS₂、WSe₂、SnS₂/WSe₂異質結的拉曼單譜對比

（e-f）異質結區的拉曼mapping

（g）SnS₂、WSe₂、SnS₂/WSe₂異質結的PL單譜對比

（h）SnS₂/WSe₂異質結的PL mapping

（i）WSe₂、SnS₂/WSe₂異質結的熒光壽命

圖2 器件的電學性質

（a）不同漏源偏壓下器件的轉移特性曲線

（b）不同柵壓下器件的I_ds-V_ds曲線

（c）I_ds-V_ds曲線根據FNT擬合

（d）在不同漏源偏壓下的異質結結區的能帶結構示意圖

圖3 器件的光電響應測試

（a）器件光響應過程的示意圖

（b）異質結的光譜響應曲線

（c）異質結在550 nm單波長光照下的明暗電流I_ds-V_ds曲線

（d）負偏壓下的光響應曲線的DT擬合

（e）不同波長光照下，柵壓對光響應的調控

（f）零柵壓下器件的光響應循環穩定性測試

圖4 光電流mapping測試

（a）異質結光電流mapping測試示意圖

（b）光電流mapping測試圖譜

【小結】

研究人員從能帶工程出發，設計SnS₂和WSe₂這種容易發生隧穿電流的III類異質結。并利用負偏壓下，大量的光生載流子躍過結區勢壘，發生direct tunneling過程，從而使得多子參與導電過程，在得到較高光響應開關比的同時還保留了較高的光響應度。該工作為二維異質結在高性能光探測器領域的研究和應用提供了一條新的思路。

文獻連接：Tunneling Diode Based on WSe₂/SnS₂?Heterostructure Incorporating High Detectivity and Responsivity

本文由翟天佑課題組撰稿，材料人特約作者吳禹翰邀請、審核及發布。