Nano Lett.：基于hBN /黑砷磷/ hBN异质结构的空气稳定室温中红外光电探测器

【引言】

半导体二维（2D）材料包括各种过渡金属二硫族化合物（TMDCs）和黑磷（BP）已广泛用于光子和电子应用领域。大多数半导体TMDCs（如二硫化钼和二硒化钨）的带隙接近或大于1eV，这限制了它们在紫外（UV），可见光和近红外（NIR）区域的光学应用。由于其中等带隙和高载流子迁移率，层状黑磷（BP）已引起中红外光子学和高速电子学研究者的广泛关注。然而，其约0.33eV的固有带隙限制了直接带间跃迁至约3.7μm的BP光子器件的工作波长范围。

【成果简介】

近日，美国南加州大学周崇武、耶鲁大学Fengnian Xia（共同通讯）等人证明通过将砷引入BP形成的黑磷合金（b-AsxP1-x）可显著延长光子器件的工作波长范围。制成的夹在六方氮化硼（hBN）中的b-As_0.83P_0.17光电探测器在室温下分别在3.4,5.0和7.7μm处显示出190,16和1.2mA/W的峰值外部响应度。此外，由于通过完整的hBN封装保留了b-As_0.83P_0.17的原始性质，本征光电导效应支配光电流，并且这些b-As_0.83P_0.17光电探测器显示可忽略的传输滞后。由于本征光电导产生的中红外范围内的广泛和大的光响应性，以及优异的长期空气稳定性，使b-As_0.83P_0.17合金成为用于中红外应用的有前景的替代材料，例如自由空间通信 ，红外成像和生物医学传感。相关成果以题为“Air-Stable Room-Temperature Mid-Infrared Photodetectors Based on hBN/Black Arsenic Phosphorus/hBN Heterostructures”发表在了Nano Lett.上。

【图文导读】

图1 晶体结构和红外消光特性

（a）具有标记峰的米勒指数的合成晶体的X射线衍射图

（b）b-As_0.83P_0.17合金的正交波纹蜂窝状结晶结构

（c）偏振分解的IR消光光谱

图2 hBN封装的b-As_0.83P_0.17光电晶体管的光响应

（a）偏振分辨光电流

（b）光电流的V_bg依赖性

（c）光响应作为源极-漏极偏压Vds的函数

图3 功率和频率与光电流和噪声特性的关系

（a）光电流作为入射功率的函数

（b）光响应作为入射光强度调制频率的函数

（c）噪声等效功率

【小结】

该工作研究了合成的b-As_0.83P_0.17结构和光学性质，并且进一步证明MWIR光电探测器覆盖从3.4到7.7μm的宽中红外波长范围。MWIR检测的3-dB截止频率可能高达19 GHz。

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

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