南方科技大學 AFM：基于2D vdW異質結層間激子躍遷的超高探測率短波紅外光探測器

【研究背景】

短波紅外（SWIR）光電探測器可探測1.0–3.0 μm的光譜，可廣泛應用于遙感、成像和自由空間通信等領域。然而，傳統的商用SWIR光電探測器主要依賴于HgCdTe或InAs/GaSb-II型超晶格和InGaAs/GaAsSb II-型量子阱。但是它們都存在一些瓶頸，譬如，帶隙可隨三元化學成分調節的HgCdTe半導體存在原料毒性和均勻性差、產率低等問題。而且，HgCdTe SWIR光電探測器必須在低溫下工作才能抑制暗電流（或熱噪聲），以確保較高的比探測率。此外，基于II型超晶格或多量子阱的傳統SWIR光電探測器需要使用昂貴的分子束外延工藝來實現器件制備。因此，開發新型非制冷、高性能SWIR光電探測器顯得意義重大。通過2D層狀材料vdW異質結能帶工程，我們有可能在II型半導體異質結界面能帶排列中實現層間激子躍遷，從而使可探測的光譜范圍超過單一2D材料層的截止波長，制備出超越材料自身帶隙限制的新型SWIR光探測器。

【成果簡介】

近日，南方科技大學的龔佑品研究副教授、張立源副教授和陳銳副教授（共同通訊作者）聯合報道了一種基于層間激子躍遷行為的2D GaTe/InSe vdW異質結SWIR光電探測器。他們首先生長出高質量的GaTe和InSe單晶塊體并成功制備了GaTe/InSe-II型vdW異質結，隨后通過理論和實驗在該異質結中證實了層間激子躍遷(~0.55 eV)，從而實現了超越單一GaTe(截止波長~0.73 μm)和InSe (截止波長~0.95 μm)帶隙限制的高性能短波紅外探測。具體而言，器件在1064 nm和1550 nm波長的探測率分別高達~10¹⁴ 和~10¹² Jones。該結果表明，具有II型能帶排列的2D vdW異質結產生了層間激子躍遷，這為在SWIR或更長波長范圍內開發高性能光電器件提供一種可行的策略，從而超越了組成材料的帶隙和異質外延的限制。該研究成果以題為“Interlayer Transition in a vdW Heterostructure toward Ultrahigh Detectivity Shortwave Infrared Photodetectors”發表在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。第一作者為齊太磊研究助理與龔佑品研究副教授（共同第一作者）。

【圖文解讀】

圖一、InSe/GaTe異質結的DFT計算

（a）異質結構的簡單模型的原子構型；

（b）使用VASP計算的電子局部化函數（ELF）等高線圖；

（c）異質結中相應的全部和部分（基于原子類型）態密度。

圖二、GaTe/InSe vdW異質結用于SWIR光電探測

（a）GaTe/InSe光電探測器的3D結構示意圖；

（b）器件光學圖；

（c）器件中GaTe、InSe和GaTe/InSe三個區域的拉曼光譜；

（d）GaTe/InSe vdW異質結構的II型能帶排列。

圖三、GaTe/InSe vdW異質結器件的光電響應特性

（a）在暗態和1550 nm光照下的I_ds-V_ds曲線；

（b）在激發波長為1550 nm下，光電流對偏壓的線性依賴特性；

（c）在暗態和1064 nm光照射下的I_ds-V_ds曲線及光電流特性。

圖四、GaTe/InSe vdW異質結器件的光響應度

（a）1064和1550 nm激光照射下光電流的功率依賴性；

（b）在1550 nm光照下的光響應度與功率的關系；

（c）在1550 nm光照下，不同偏壓下的光響應度與功率的關系；

（d）GaTe/InSe vdW異質結光探測器與單一InSe（GaTe）器件的光響應度與波長的關系對比。

圖五、GaTe/InSe vdW異質結器件的噪聲和比探測率

（a）電流噪聲功率密度譜；

（b）等效噪聲功率與激發波長的關系；

（c）寬波段范圍內（405-1550 nm），在V_ds=1 V和V_ds=5 V（插圖）偏壓下的比探測率D*；

（d）ln(J)與V_ds^1/2的關系曲線表明暗電流主要是熱電子發射機制。

【小結】

綜上所述，作者利用逐層干法轉移的方式制備了GaTe/InSe vdW異質結。該GaTe/InSe vdW光電探測器通過在II型能帶排列的層間躍遷實現了在1.0-1.55 μm波段內非凡的探測能力，超出了單一GaTe和InSe的固有帶隙的限制范圍。這些性能包括在1064和1550 nm時分別高達267.4和1.5 A W^–1的光響應度，以及分別高達~10¹⁴和 10¹² Jones的比探測率D*。該器件超高的比探測率可與基于InGaAs和InAs窄帶隙半導體，HgCdTe、InAs/GaSb II型超晶格和InGaAs/GaAsSb II型的最新商業SWIR光電探測器相媲美。結果顯示，這種具有層間躍遷行為的2D vdW異質結為非制冷SWIR甚至中/遠紅外光電探測器的設計提供了一種嶄新的思路。

文獻鏈接：Interlayer Transition in a vdW Heterostructure toward Ultrahigh Detectivity Shortwave Infrared Photodetectors（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201905687）

本文由CQR撰寫，南方科技大學龔佑品老師校稿。

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