Nano Lett.：基于hBN /黑砷磷/ hBN異質結構的空氣穩定室溫中紅外光電探測器

【引言】

半導體二維（2D）材料包括各種過渡金屬二硫族化合物（TMDCs）和黑磷（BP）已廣泛用于光子和電子應用領域。大多數半導體TMDCs（如二硫化鉬和二硒化鎢）的帶隙接近或大于1eV，這限制了它們在紫外（UV），可見光和近紅外（NIR）區域的光學應用。由于其中等帶隙和高載流子遷移率，層狀黑磷（BP）已引起中紅外光子學和高速電子學研究者的廣泛關注。然而，其約0.33eV的固有帶隙限制了直接帶間躍遷至約3.7μm的BP光子器件的工作波長范圍。

【成果簡介】

近日，美國南加州大學周崇武、耶魯大學Fengnian Xia（共同通訊）等人證明通過將砷引入BP形成的黑磷合金（b-AsxP1-x）可顯著延長光子器件的工作波長范圍。制成的夾在六方氮化硼（hBN）中的b-As_0.83P_0.17光電探測器在室溫下分別在3.4,5.0和7.7μm處顯示出190,16和1.2mA/W的峰值外部響應度。此外，由于通過完整的hBN封裝保留了b-As_0.83P_0.17的原始性質，本征光電導效應支配光電流，并且這些b-As_0.83P_0.17光電探測器顯示可忽略的傳輸滯后。由于本征光電導產生的中紅外范圍內的廣泛和大的光響應性，以及優異的長期空氣穩定性，使b-As_0.83P_0.17合金成為用于中紅外應用的有前景的替代材料，例如自由空間通信 ，紅外成像和生物醫學傳感。相關成果以題為“Air-Stable Room-Temperature Mid-Infrared Photodetectors Based on hBN/Black Arsenic Phosphorus/hBN Heterostructures”發表在了Nano Lett.上。

【圖文導讀】

圖1 晶體結構和紅外消光特性

（a）具有標記峰的米勒指數的合成晶體的X射線衍射圖

（b）b-As_0.83P_0.17合金的正交波紋蜂窩狀結晶結構

（c）偏振分解的IR消光光譜

圖2 hBN封裝的b-As_0.83P_0.17光電晶體管的光響應

（a）偏振分辨光電流

（b）光電流的V_bg依賴性

（c）光響應作為源極-漏極偏壓Vds的函數

圖3 功率和頻率與光電流和噪聲特性的關系

（a）光電流作為入射功率的函數

（b）光響應作為入射光強度調制頻率的函數

（c）噪聲等效功率

【小結】

該工作研究了合成的b-As_0.83P_0.17結構和光學性質，并且進一步證明MWIR光電探測器覆蓋從3.4到7.7μm的寬中紅外波長范圍。MWIR檢測的3-dB截止頻率可能高達19 GHz。

文獻鏈接：Air-Stable Room-Temperature Mid-Infrared Photodetectors Based on hBN/Black Arsenic Phosphorus/hBN Heterostructures（Nano Lett.,2018,DOI:10.1021/acs.nanolett.8b00835）

本文由材料人新能源組Allen供稿，材料牛整理編輯。

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