合肥工業大學于永強和蘇州大學揭建勝Adv. Funct. Mater.：脈沖激光沉積法制備的超高速寬光譜響應少層MoTe2/Si 2D-3D異質結光電二極管

【引言】

在過去的幾十年中，基于新型半導體納米結構的光電探測器由于其在高性能光電探測中的巨大潛力而??受到了廣泛的研究。在各種半導體納米結構中，二維過渡金屬二硫化物（2D TMDCs）由于其高載流子遷移率、強光吸收和高量子效率而備受關注。通過提高材料的質量和優化器件結構，實現了基于2D TMDCs材料橫向結構的高光響應度光電導型和光電晶體管型光電探測的構筑，使2D TMDCs材料成為構建高靈敏探測器的潛力材料。另一方面，隨著高傳輸速率系統的發展，諸如光耦合器設備之類的許多應用需要高時間分辨率或等效的高頻光探測。但是，受限于光生載流子傳輸時間長、TMDCs材料缺陷態的存在以及光電導器件結構自身的缺陷等因素的影響，基于TMDC材料的光電探測器僅有幾毫秒甚至幾秒的響應時間，這嚴重制約了高傳輸速率系統的發展。

【成果簡介】

2D過渡金屬硫化物是應用于高性能光電探測器的明星材料。但是，相對較低的響應速度以及材料轉移等復雜制備工藝過程阻礙了它們的廣泛應用。合肥工業大學于永強和蘇州大學揭建勝首次報道了通過脈沖激光沉積技術制造出高速光光譜響應的多層MoTe₂/Si 2D-3D垂直異質結光電二極管。由于具有高的結質量，超薄的MoTe₂膜和獨特的垂直n-n異質結結構，該光電二極管具有0.19 A/W的高響應度和6.8×10¹³ Jones的大探測率優異器件性能。此外，該器件還能夠探測波長范圍為300至1800 nm的光。更重要的是，該器件具有高達150 ns的超高響應速度，其3-dB電學帶寬接近0.12 GHz。這項工作為構筑高速寬光譜硅兼容的2D–3D異質結光電探測器提供了新的思路。。該成果以“Ultrahigh Speed and Broadband Few-Layer MoTe₂/Si 2D–3D Heterojunction-Based Photodiodes Fabricated by Pulsed Laser Deposition”為題發表在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.FL-MoTe₂/Si 2D-3D異質結光電二極管

a）FL-MoTe₂/Si 2D-3D異質結光電二極管的制造過程示意圖

b）FL-MoTe₂/Si異質結光電探測器的結構示意圖

c）裝配在PCB板上用于器件測量的基于FL-MoTe₂/Si異質結的光電二極管探測器的照片

d）FL-MoTe₂的XPS光譜

e）在532 nm激光激發下，MoTe₂體材料和沉積的FL-MoTe₂膜的拉曼光譜

f）在8×8 μm²區域中E¹_2g峰強度的拉曼光譜圖

g）FL-MoTe₂的AFM圖像

圖2.器件的光響應特性

a）FL-MoTe₂/Si異質結退火前和退火后的典型I-V曲線

b）在980 nm光照下，不同光強度的I-V曲線

c）在零偏壓下光電流與光強度的關系

d）在恒定光強度下，器件在300-1800 nm波長范圍內的光譜響應

e）在400至1800 nm的光譜范圍內測得的FL-MoTe₂/Si異質結的紫外-可見-近紅外區域的光吸收譜

f）分別在黑暗和1550 nm光照下測得的器件的I–V曲線

g）分別在980和1550 nm光照下測量的器件的時間響應

h）在空氣中存放6個月前后測量的器件的時間響應

圖3.光電二極管的響應速度

a）FL-MoTe₂/Si光電二極管的隨頻率變化的歸一化光響應特性曲線

bc）分別在50 kHz和1 MHz的脈沖光照射下測量的FL-MoTe₂/Si光電二極管的歸一化光電壓特性曲線

d）f = 1 MHz時的一個響應周期的放大圖，用于估算響應時間

e）信號頻率為1 MHz時的結電容和電壓帶寬隨電壓的變化

f）響應時間和最大可探測脈沖光頻率與MoTe₂膜厚度的關系

圖4.器件的光電響應特性參數

a）在零偏壓下不同入射光強度下光電流與時間的關系

b）在零偏置電壓下，入射光強度為5到40 nW/cm²時測量的典型器件響應度（左）和檢測率（右）

c）0至-2 V偏置電壓的響應度曲線

d）FL-MoTe₂/Si光電二極管的光電流分布圖

圖5.FL-MoTe₂/Si異質結的機理分析

a）ISE-TCAD模擬的MoTe₂/Si n-n異質結的電勢分布

bc）光照下FL-MoTe₂/Si異質結的能帶圖

d）在光照下，光生載流子快速分離和運輸的示意圖

圖6.FL-MoTe₂/Si異質結與當前報道的2D，2D-2D vdWH和2D-3D異質結光電探測器及部分商用硅和鍺光電二極管的響應時間和探測率的對比

【總結】

在這個工作中，作者首次通過PLD技術制造了新型高速寬光譜響應的FL-MoTe₂/Si 2D-3D異質結光電二極管，系統地研究了該器件的光響應特性，發現器件具有出色的器件性能，包括6.8×10¹³ Jones的高探測率，接近150 ns的超快響應速度和高達0.12 GHz的3-dB高帶寬。這些性能參數優于迄今為止報道的大多數基于2D TMDC的光電探測器，甚至可以與某些商用的Si和Ge光電二極管相媲美。值得注意的是，該設備能夠檢測高達1800 nm的近紅外（NIR）光，超越了常規Si光電二極管的限制。優異的器件性能歸因于其FL-MoTe2/Si基光電二極管高的結質量、少的界面缺陷、極薄的膜厚以及獨特的垂直n-n異質結結構和石墨烯透明電極。這個工作為制造高速寬光譜2D-3D異質結光電探測器開辟了一條新途徑。

文獻鏈接：Ultrahigh Speed and Broadband Few-Layer MoTe₂/Si 2D–3D Heterojunction-Based Photodiodes Fabricated by Pulsed Laser Deposition. Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201907951.

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。?

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