中科院上海技物所Nature Communications：利用單邊耗盡/積累聯合局域場大幅提升范德華異質結探測器量子效率

研究背景

自從石墨烯被發現之后，基于二維材料的光電探測器就引起人們巨大的興趣和研究熱情，這是因為二維材料具有原子層的厚度、強的光與物質相互作用以及層數調控的電學和光學性質等優點。各種超高響應度、超高增益、超高比探測率的高性能光電探測器被先后制備出來，從過渡金屬硫族化合物TMDCs、III-V族層狀半導體，到窄禁帶的黑磷等等，覆蓋了從紫外、可見到紅外的波段范圍。到目前為止，這些擁有超高響應度的基于二維材料的光電探測器大部分都工作在光電導模式（包括光誘導柵壓模式），盡管具有高的增益，但器件的暗電流很大，響應時間也很慢。此外，光電導模式的探測器需要外加偏壓才能工作，因此會有靜態功率損耗，不適用于自驅動、便攜式電池供電的器件應用領域。高性能探測器應該同時擁有高的響應度、快的響應速度、高的信噪比以及低功耗或者無功耗。光電二極管探測器可以滿足以上這些需求，而二維材料由于其具有表面無懸掛鍵特點，特別擅長構建界面無位錯的范德華異質結，從而實現異質結光伏探測。至目前為止，許多基于范德華異質結的光伏探測器和太陽能電池通過機械堆疊或者范德瓦爾斯外延的方法被制備出來，如WSe₂/MoS₂、BP/MoS₂、MoTe₂/MoS₂、GaTe/MoS₂、GaTe/InSe、GaSe/GaSb和AsP/InSe等。然而，這些光電二極管的外量子效率和光電轉換效率仍然較低，分別不超過55%和5%。究其原因，主要有兩點，一是在原子層薄的雙邊耗盡區中光生電子空穴對的遂穿輔助界面復合非常嚴重，二是二維材料與金屬界面通常存在肖特基勢壘，導致電極的載流子收集效率很低。除了量子效率低以外，在這些異質結光電二極管中，光生電子和空穴都需要穿過異質結界面而容易被界面缺陷態束縛，導致器件的響應速度變慢。

成果簡介

近日，中國科學院上海技術物理研究所胡偉達、陳效雙、陸衛等設計了一種不同于常規pn結的單邊耗盡/單邊積累的Pp⁺結。提出了單邊耗盡區和單邊積累區聯合調控內建電場分布的概念，利用p型二維半導體MoS₂和AsP的層間范德華力構建異質結。在內建電場作用下，P區的光生電子穿過異質界面與p⁺的多子空穴復合，被AsP快速收集。單邊耗盡區結構通過巧妙地讓耗盡層遠離界面，避免了界面處缺陷復合中心導致的光生載流子的復合，克服了長期以來困擾二維材料界面光生載流子復合幾率大和傳輸效率低的瓶頸問題；同時由于單邊耗盡區結構只有光生電子穿過界面且迅速與p⁺的多子空穴復合，大大降低了光生載流子被界面缺陷態捕獲的幾率，解決了二維材料長期以來因光誘導柵壓效應導致響應速度慢的難題。該成果從物理上大幅改進了二維異質結界面復合和接觸層傳輸機制，有效提高器件量子效率和響應速度，從而實現高性能光電探測。

該成果以題為“High efficiency and fast van der Waals hetero-photodiodes with a unilateral depletion region”發表在Nature Communications上，第一作者為吳峰博士后，通訊作者為胡偉達、王鵬等。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-12707-3。

該項研究得到了國家自然科學基金、中國科學院、上海市科委等項目的支持。

圖文導讀

圖1：MoS₂/AsP范德華異質結器件結構示意圖、形貌和電學表征

（a）MoS₂/AsP范德華異質結器件的結構示意圖，（b）AFM高度圖，插圖為異質結器件的AFM表面形貌圖，（c）MoS₂/AsP范德華異質結器件（反向整流特性）在V_g=0 V時的輸出曲線，插圖為對數坐標下的輸出曲線，（d）MoS₂/AsP范德華異質結器件在不同柵壓下的輸出曲線，插圖為器件的整流比與柵壓的關系曲線。

圖2：MoS₂/AsP范德華異質結表面勢測試和不同偏壓下的能帶示意圖

（a）MoS₂/AsP范德華異質結的表面勢mapping圖，（b）對應的異質結表面勢高度圖，不同偏壓下MoS₂/AsP范德華異質結的能帶示意圖，（c）V_ds?=0 V, （d）-0.5 V<V_ds?<0 V, （e）V_ds?<-0.5 V 和（f）V_ds?>0 V。

圖3：MoS₂/AsP范德華pn異質結和單邊耗盡區的MoS₂/AsP范德華pp異質結的對比

（a）MoS₂/AsP范德華pn異質結在紅外光入射下的能帶示意圖，（b）MoS₂/AsP范德華pn異質結的輸出曲線，（c）MoS₂/AsP范德華pn異質結在零偏壓和紅外光入射下的光開關響應，（d）單邊耗盡區的MoS₂/AsP范德華pp異質結在紅外光入射下的能帶示意圖，（b）單邊耗盡區的MoS₂/AsP范德華pp異質結的輸出曲線，（c）單邊耗盡區的MoS₂/AsP范德華pp異質結在零偏壓和紅外光入射下的光開關響應。

圖4：單邊耗盡區的MoS₂/AsP范德華pp異質結器件的光伏響應

（a）器件在無光照和520 nm激光照射下的輸出曲線，（b）器件在520 nm不同功率激光照射下的輸出曲線，（c）器件在520 nm不同功率激光照射下的輸出電功率曲線，（d）器件的短路電流和開路電壓與入射光功率之間的關系曲線，（e）器件的填充因子和光電轉換效率與入射光功率之間的關系曲線，（f）器件的響應度和外量子效率與入射光功率之間的關系曲線。

圖5：單邊耗盡區的MoS₂/AsP范德華pp異質結器件的光伏響應機制和時間響應

（a）單邊耗盡區的MoS₂/AsP范德華pp異質結器件在零偏壓和520 nm光照下的能帶示意圖，（b）器件的光電流mapping圖，（c）器件在1000個周期性光脈沖下的光開關響應，（d）器件的時間分辨光電流響應。

本文由中國科學院上海技術物理研究所胡偉達研究員供稿。

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