合肥工业大学于永强和苏州大学揭建胜Adv. Funct. Mater.：脉冲激光沉积法制备的超高速宽光谱响应少层MoTe2/Si 2D-3D异质结光电二极管

【引言】

在过去的几十年中，基于新型半导体纳米结构的光电探测器由于其在高性能光电探测中的巨大潜力而受到了广泛的研究。在各种半导体纳米结构中，二维过渡金属二硫化物（2D TMDCs）由于其高载流子迁移率、强光吸收和高量子效率而备受关注。通过提高材料的质量和优化器件结构，实现了基于2D TMDCs材料横向结构的高光响应度光电导型和光电晶体管型光电探测的构筑，使2D TMDCs材料成为构建高灵敏探测器的潜力材料。另一方面，随着高传输速率系统的发展，诸如光耦合器设备之类的许多应用需要高时间分辨率或等效的高频光探测。但是，受限于光生载流子传输时间长、TMDCs材料缺陷态的存在以及光电导器件结构自身的缺陷等因素的影响，基于TMDC材料的光电探测器仅有几毫秒甚至几秒的响应时间，这严重制约了高传输速率系统的发展。

【成果简介】

2D过渡金属硫化物是应用于高性能光电探测器的明星材料。但是，相对较低的响应速度以及材料转移等复杂制备工艺过程阻碍了它们的广泛应用。合肥工业大学于永强和苏州大学揭建胜首次报道了通过脉冲激光沉积技术制造出高速光光谱响应的多层MoTe₂/Si 2D-3D垂直异质结光电二极管。由于具有高的结质量，超薄的MoTe₂膜和独特的垂直n-n异质结结构，该光电二极管具有0.19 A/W的高响应度和6.8×10¹³Jones的大探测率优异器件性能。此外，该器件还能够探测波长范围为300至1800 nm的光。更重要的是，该器件具有高达150 ns的超高响应速度，其3-dB电学带宽接近0.12 GHz。这项工作为构筑高速宽光谱硅兼容的2D–3D异质结光电探测器提供了新的思路。。该成果以“Ultrahigh Speed and Broadband Few-Layer MoTe₂/Si 2D–3D Heterojunction-Based Photodiodes Fabricated by Pulsed Laser Deposition”为题发表在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1.FL-MoTe₂/Si 2D-3D异质结光电二极管

a）FL-MoTe₂/Si 2D-3D异质结光电二极管的制造过程示意图

b）FL-MoTe₂/Si异质结光电探测器的结构示意图

c）装配在PCB板上用于器件测量的基于FL-MoTe₂/Si异质结的光电二极管探测器的照片

d）FL-MoTe₂的XPS光谱

e）在532 nm激光激发下，MoTe₂体材料和沉积的FL-MoTe₂膜的拉曼光谱

f）在8×8 µm²区域中E¹_2g峰强度的拉曼光谱图

g）FL-MoTe₂的AFM图像

图2.器件的光响应特性

a）FL-MoTe₂/Si异质结退火前和退火后的典型I-V曲线

b）在980 nm光照下，不同光强度的I-V曲线

c）在零偏压下光电流与光强度的关系

d）在恒定光强度下，器件在300-1800 nm波长范围内的光谱响应

e）在400至1800 nm的光谱范围内测得的FL-MoTe₂/Si异质结的紫外-可见-近红外区域的光吸收谱

f）分别在黑暗和1550 nm光照下测得的器件的I–V曲线

g）分别在980和1550 nm光照下测量的器件的时间响应

h）在空气中存放6个月前后测量的器件的时间响应

图3.光电二极管的响应速度

a）FL-MoTe₂/Si光电二极管的随频率变化的归一化光响应特性曲线

bc）分别在50 kHz和1 MHz的脉冲光照射下测量的FL-MoTe₂/Si光电二极管的归一化光电压特性曲线

d）f= 1 MHz时的一个响应周期的放大图，用于估算响应时间

e）信号频率为1 MHz时的结电容和电压带宽随电压的变化

f）响应时间和最大可探测脉冲光频率与MoTe₂膜厚度的关系

图4.器件的光电响应特性参数

a）在零偏压下不同入射光强度下光电流与时间的关系

b）在零偏置电压下，入射光强度为5到40 nW/cm²时测量的典型器件响应度（左）和检测率（右）

c）0至-2 V偏置电压的响应度曲线

d）FL-MoTe₂/Si光电二极管的光电流分布图

图5.FL-MoTe₂/Si异质结的机理分析

a）ISE-TCAD模拟的MoTe₂/Si n-n异质结的电势分布

bc）光照下FL-MoTe₂/Si异质结的能带图

d）在光照下，光生载流子快速分离和运输的示意图

图6.FL-MoTe₂/Si异质结与当前报道的2D，2D-2D vdWH和2D-3D异质结光电探测器及部分商用硅和锗光电二极管的响应时间和探测率的对比

【总结】

在这个工作中，作者首次通过PLD技术制造了新型高速宽光谱响应的FL-MoTe₂/Si 2D-3D异质结光电二极管，系统地研究了该器件的光响应特性，发现器件具有出色的器件性能，包括6.8×10¹³Jones的高探测率，接近150 ns的超快响应速度和高达0.12 GHz的3-dB高带宽。这些性能参数优于迄今为止报道的大多数基于2D TMDC的光电探测器，甚至可以与某些商用的Si和Ge光电二极管相媲美。值得注意的是，该设备能够检测高达1800 nm的近红外（NIR）光，超越了常规Si光电二极管的限制。优异的器件性能归因于其FL-MoTe2/Si基光电二极管高的结质量、少的界面缺陷、极薄的膜厚以及独特的垂直n-n异质结结构和石墨烯透明电极。这个工作为制造高速宽光谱2D-3D异质结光电探测器开辟了一条新途径。

文献链接：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.

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