光柵局域調控二維光電探測器*

雷挺 呂偉明 呂文星 崔博垚 胡瑞 時文華? 曾中明

1) (中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所, 多功能材料與輕巧系統重點實驗室, 蘇州 215123)

2) (中國科學技術大學納米技術與納米仿生學院, 合肥 230026)

1 引 言

二維材料[1]是指電子僅可在兩個維度的納米尺度(1—100 nm)上平面運動的材料.自從2004 年[2]石墨烯被發現以來, 有關二維材料的研究得到了科學界的廣泛關注.由于石墨烯具有缺陷密度低、易實現大面積轉移、制備成本低、比表面積大和載流子遷移率高等優異特性[3-5], 使它在高頻光電探測器中得到了廣泛的應用[6,7].但石墨烯具有的零帶隙能帶結構, 導致光生載流子壽命不高, 在光電探測應用方面受到了很大的限制.除了石墨烯外, 目前典型的二維材料還包括過渡金屬硫化物(TMDs)[8,9]、黑磷(BP)[10,11]及六方氮化硼(h-BN)[12,13]等.由于它們具有多種電子能帶結構, 涵蓋了導體、半導體、絕緣體、半金屬和超導體等范圍, 使其光譜響應包含了從紅外到可見光區域, 甚至到紫外光[14,15]區域.不僅如此, 二維材料中的載流子在縱向上易被局域場調控, 在橫向輸運載上流子可以被局域場大幅抑制, 可以實現高信噪比光電探測.同時, 局域場調控下的光電探測器具有超高的光增益, 可以得到超高的光響應度[16-18], 使得二維材料成為了光電探測材料中有力的競爭者.

隨著光電信息技術的快速發展, 光電探測器已經成為日常生活中不可或缺的一部分, 包括環境監控、光通信、熱成像及軍事化應用[7,19]等.常規的硅基光電探測器[20,21]在可見到近紅外波段占據了當前光電探測器的主導地位, 但是硅基光電探測器的應用也存在著一些限制.隨著硅基半導體的制造技術接近“摩爾定律”的極限, 器件尺寸進一步縮小時, 經典物理理論將不再適用; 硅基探測器對光的吸收率不高和吸收光譜窄也限制了它的廣泛應用,此外硅基光電探測器也難以在柔性器件中[22,23]應用.當前對光吸收效率高、寬頻譜及柔韌性好的新材料的需求日益增長, 以及對二維材料硏究的不斷深入, 這些新穎的二維材料為高性能光電探測器的設計和制備提供了新的機遇, 彌補硅基探測器應用上的一些限制.二維光電探測器[14,24]技術的突破有望實現柔性化、高性能、寬頻譜探測, 在未來光電探測器的應用上有很好的前景.

在本文中, 我們首先介紹光電探測器性能參數指標和光柵局域調控的工作原理; 進而總結了基于光柵效應的二維材料及范德瓦耳斯力異質結的光電探測器應用; 最后對光柵局域調控二維探測器未來的挑戰進行簡要的總結和展望, 并對光柵局域調控探測器提出了新的結構.

2 光電探測器主要性能參數和光柵局域調控工作原理

光電探測器的關鍵原理是將吸收的光子轉換為電信號[25].該光電轉換過程通常涉及以下機制:光電導效應(photoconductive effect)[26,27]、光柵效應(photogating effect)[28,29]、光伏效應(photovoltaic effect)[30,31]和熱電效應(thermoelectric effect)[32,33].

2.1 光電探測器主要性能參數

一般來說, 可以采用一些參數評價光電探測器的性能, 下面將簡要介紹這些參數.

光響應度(R)[34]指光電流或光生電壓與入射光功率之比.表達式為 R =IP/P 或 R =VP/P.其中P 為入射光功率, IP為光電流, VP為光生電壓由于光響應度與入射光波長和入射光的功率有密.切的關系, 一般光探測器工作在一個特定的波段范圍稱為光譜響應特性.

光增益(G)[35]揭示探測器靈敏度的重要指標,指單位時間內收集的載流子與吸收光子之比.具體計算公式為其中h 為普朗克常數, c 為光速, e 為元電荷, λ 為入射光波長.

噪聲等效功率(noise equivalent power, NEP)[36]是指帶寬為1 Hz 時, 信噪比達到1 所需的最小入射光功率, 公式表示為 N EP=P1/Δf1/2, 其中P1表示信噪比為1 時的入射光功率大小, 因此, NEP的單位為W·Hz—1/2, NEP 的值代表了光電探測器的靈敏度, 也稱作最小可探測功率.

探測率(D*)[37]用于判斷的不同結構的光電探測器性能的重要參數, 排除了器件面積和帶寬的影響, 用公式表示為 D?=(AΔf)1/2/NEP , 其中 A 是探測器有效面積, Δ f 為帶寬, D?的單位為cm·Hz1/2·W—1或Jones.

響應時間(τ)[38]是光電探測器的重要工作參數之一.其中上升時間(τr)被定義隨著時間從10%到90%凈光電流; 下降時間(τf)被定義隨著時間從90%到10%的凈光電流.

2.2 光柵局域調控工作原理

光柵效應是指在光照作用下, 吸收光子產生的電子或空穴處于陷阱態, 電荷陷阱態作為局域光柵對導電溝道進行調制的現象, 如圖1(a)所示[39].

圖1 光柵效應特性 (a) 光柵效應示意圖[39]; (b) 光照后, 轉移特性曲線 I ds-Vg , 其中, 黑線、紅線和藍線分別代表暗電流、光柵效應下的光電流以及光柵效應和光電導效應的疊加的光電流; (c)光柵效應器件中的能帶排布示意圖[44].Fig.1.The characteristics of the photogating effect: (a) Schematic diagram of the photogating effect[39]; (b) the I ds-Vg transfer characteristic curve after illumination.The black line, red line and blue line represent dark current, photocurrent of photogating effect,the superimposed photocurrent of photogating effect and photoconductive effect, respectively; (c) schematic diagram of band arrangement in photogating effect devices[44].

光柵效應是光電導效應的一種特殊情況, 也表現為在光照下電導率的改變.光激發會產生兩種載流子, 其中一種載流子會被陷阱捕獲, 另一種載流子在導電溝道中進行傳輸, 被陷阱狀態捕獲的載流子這時可看作為局部光柵, 來調制溝道的電導率[40].若陷阱捕獲空穴帶正電, 則轉移特性曲線左移; 若陷阱捕獲電子帶負電, 則轉移特性曲線右移, 如圖1(b)所示.因此, 基于光柵效應光電探測器產生的光電流可能小于暗電流, 也可能大于暗電流.根據已報道的文獻, 形成 Ids-Vg轉移曲線移動的主要有3 種可能的情況, 如圖1(c)所示, 對于單一材料結構,表面或界面處的陷阱狀態的特定空間分布是形成局域光柵的主要原因(如圖1(c)中左圖所示).在光照時, 這些陷阱狀態可以捕獲一種類型的光生載流子, 并產生局域柵極電場來調制溝道電導.陷阱態的填充與費米能級也有著重要關系, n 型溝道主要具有空穴陷阱態, p 型溝道主要具有電子陷阱態.對于異質結結構而言, 通過異質界面的電荷交換(如圖1(c)的中間圖)或在界面處的電荷積累(如圖1(c)中右圖)會導致 Ids-Vg轉移曲線移動(僅考慮光敏材料作為光柵層).Ids-Vg轉移曲線移動在很大程度上取決于異質結構中的能帶排列, 界面處的內置電場或光敏層表面附近的能帶彎曲可實現有效的電子空穴對分離, 并且集中在光柵層的光生載流子來調節導電溝道.

基于光柵效應的光電探測器產生的光電流可能小于暗電流, 會出現負電導(negative photoconductance, NPC)[41,42], 如圖1(b)所示, 光照后, 轉移特性曲線向正方向移動, 表明由捕獲電子引起負柵壓(Δ Vg＜0).在A 點和B 點的光響應行為是完全不同, 當器件在A 點工作時, 黑暗中的多數載流子為空穴(gm＜0), 導致光電流為正; 而對于工作點B, 黑暗中的多數載流子是電子(gm＞0), 光電流為負與公式 Iph= gmΔVg相符[44].如果注入到導電通道中的光生載流子的類型與通道材料的多數載流子的類型相同, 或留在光柵層或陷阱狀態中的光生載流子的類型與通道材料的多數載流子的類型相反, 那么將獲得正光電導(positive photoconductance, PPC).

圖1(b)中的 Ids-Vg曲線的水平移動是十分理想的, 在實驗中不可能如此均勻, 光柵層產生的局部柵壓 Δ Vg與施加的柵極電壓具有很大的關系.對于單一材料的溝道, 隨著費米能級的升高, 電子陷阱態將逐漸被電子填充; 而當費米能級的下降時,空穴陷阱態將被空穴逐漸填充.因此, 在不同的柵極電壓下, 可用陷阱態數量決定了 Δ Vg的大小.對于異質結結構, 柵極電壓能夠調整異質結能帶對準并影響電子空穴對分離效率, 也導致了柵極電壓與ΔVg的相關性, 使得 Ids-Vg的偏移在實踐中不應如此均勻.

NPC 是指在光照的條件下材料的電導下降的現象[43].由于NPC 需要多數載流子和多數載流子陷阱狀態的共存, 導致NPC 更有可能在異質結結構中被發現, 而不是在單一材料二維探測器中.通常, 大多數載流子陷阱狀態在光照之前已被大多數載流子填充, 使其難以產生明顯的光電壓,異質結構中的NPC 現象也成為了光柵效應的有力證據[44].

3 單一二維材料

與傳統半導體相比, 由于二維材料的電子被限制在二維的環境中, 從而表現出獨特的物理、化學和電子特性[10], 在電學和光學器件的應用上顯示出了巨大的潛力[45,46].近幾年來, 二維材料在光電探測器方面的優異性能, 使得二維材料光電探測器的研究層出不窮, 刺激了二維材料制備方法的發展, 主要為: 機械剝離[47,48]、液相剝離[49,50]、CVD生長[51,52].接下來將對最近幾年基于光柵局域調控的二維材料光電探測器的發展狀況進行介紹.

3.1 石墨烯光電探測器

Liu 等[6]設計出超帶寬的石墨烯光電探測器,由兩層石墨烯夾著薄隧道勢壘組成, 如圖2(a)所示.與常規的光電晶體管及橫向石墨烯器件[53,54]相比, 光生載流子會隧穿進入底層石墨烯, 減少了載流子的復合.因此, 頂部石墨烯積累了大量載流子, 導致較強的光柵效應, 對底部石墨烯溝道層進行調控.利用這種結構, 實現了從可見光到中紅外光的探測范圍, 器件光響應度超過1000 A/W.通過改變隧穿層的材料, 還可以進一步提高光響應度.現有光電探測器器件受到光柵效應的限制, 實現超高光響應度的同時犧牲了響應時間.為解決光柵效應中響應時間慢的問題, Guo 等[55]采用石墨烯/SiO2/輕摻雜Si 結構, 如圖2(b)所示, 利用界面柵控機制來平衡超快響應和超高響應度之間的差距.SiO2/Si 之間存在正電荷局部界面態, 并在界面附近的硅中感應出負耗盡層, 并形成內建電場.光照時, 在內建電場作用下, 輕摻雜Si 中的光生電子空穴對被分離, 電子聚集在SiO2/Si 界面處形成負柵壓對石墨烯導電溝道進行調控.利用這個原理, 器件能夠檢測 ＜ 1 nW 的信號, 響應度高達1000 A/W, 光響應時間縮短為400 ns, 并且光譜響應范圍從可見光擴展到近紅外.這項工作為基于石墨烯的高性能光電器件開辟道路, 而且在超快微弱信號檢測方面也具有巨大潛力.

圖2 單一二維材料光電探測器 (a) 雙層石墨烯異質結中的光激發熱載流子隧穿[6]; (b) p 型輕摻雜Si/SiO2 襯底上的石墨烯光電探測器的示意圖[55]; (c) p 型InSb 襯底上石墨烯場效應晶體管的示意圖[59]; (d) 電荷陷阱模型和簡化的能帶圖[40]; (e) 光響應度與頂柵Vtg 的關系[65]; (f) 不同襯底下的光響應度[58]; (g) 在不同入射功率下, 在最大跨導附近實現最大光電流[35]; (h) 光電流與時間的關系[67].Fig.2.Single two-dimensional material photodetector: (a) Photoexcited hot carrier tunnelling in graphene double-layer heterostructures[6]; (b) schematic diagram of the graphene photodetector on lightly p-doped silicon/SiO2 substrate[55]; (c) schematic diagram of the InSb-based graphene field effect transistor (FET)[59]; (d) charge trapping model and simplified energy band diagram[40]; (e) the relationship between photoresponsivity and Vtg[65]; (f) photoresponsivity under different substrates[58]; (g) the maximum photocurrent is realized near the maximum transconductance at different incident power[35]; (h) the relationship between photocurrent and time[67].

為了進一步提高石墨烯探測器響應度, Howell等[56]提出了一種基于深耗盡的石墨烯-絕緣體-半導體的光電探測器.器件絕緣體層選用50 nm HfO2, 由于HfO2層的介電常數大[57], 能削弱載流子間的庫侖相互作用, 因此減少了載流子散射, 提高了遷移率.深耗盡的低摻雜硅襯底內產生的光生載流子聚集在半導體/絕緣體界面形成的勢阱中,產生光生柵壓對石墨烯場效應晶體管進行調控, 增加導電溝道濃度.由此產生的器件在可見光波長范圍內顯示出高達2500 A/W 響應度.改變器件襯底也是提升器件性能的方法[58], Fukushima 等[59]利用光柵效應制造了基于銻化銦(InSb)襯底的中波長紅外(MWIR)波長的高響應性石墨烯光電探測器, 如圖2(c)所示.利用InSb 響應入射的紅外光而生成的光載流子, 產生光生柵壓, 調制了石墨烯導電溝道, 并感應出大的光電流.在50 K 時實現了33.8 A/W 的超高響應度, 為提高光響應度提供了新的思路.Cao 等[60]設計出混合InGaAs-SiO2-石墨烯光電探測器, 此探測器將窄帶隙InGaAs 作為光吸收層, 石墨烯作為透明的溝道傳輸層.對比于InGaAs PIN 光電二極管, 混合結構光電探測器表現出了從紫外到近紅外波段的寬頻譜響應, 在弱光照下, 光響應度高達103A/W, 響應時間提高到了微秒級別.

3.2 其他光電探測器

除了石墨烯光電探測器外, TMDs 作為典型的二維材料, 具有較大的帶隙和適中的載流子遷移率, 適合在電子/光電子器件方面的研究.其中,MoS2光電探測器在性能方面就表現優異[40,61-63].

Furchi 等[40]研究了MoS2中的光電導機理時,確認了光柵效應和光電導效應是并存.MoS2/SiO2界面處或附近分子的光生載流子充當額外的柵極電壓并導致轉移曲線漂移.同時, 帶尾態捕獲的多余載流子有助于形成局域光柵, 如圖2(d)所示.與光電導相比, 光柵效應的光電流分量幅度較大, 但速度較慢.同樣的現象也被Kufer 等[63]發現, 通過控制柵極電壓, 可以將MoS2器件的響應度和時間響應上調幾個數量級.當施加強負 Vg時, 探測器顯示出更快的速度(毫秒級)和更高的檢測能力, 超過1011Jones.盡管已經公認氣體吸附物(例如水和氧氣)會形成電荷陷阱并顯著增加響應度和響應時間, 但其潛在機制仍不清楚.Han 等[64]研究了在真空和暴露空氣下, 不同波長的光照下吸附物對MoS2光電探測器的影響, 表明對于足夠短的波長可以激發MoS2中的電子空穴對, 光照射會導致水和氧分子的分解, 物理吸附的分子提供的光柵是器件光響應的主要因素.大多數基于光柵效應的探測器對入射強度敏感, 缺乏區分不同波長的能力.Deng 等[65]提出了一種具有區分波長能力的MoS2/HfO2/SOI 場效應光電晶體管.該晶體管在Si 襯底和頂部的MoS2層均用作光柵層, 來控制該光電晶體管中的中間Si 溝道層, 可用于分辨率高達2 nm的光波長檢測.通過調節這兩個柵極上的施加電壓, 該器件可用于獲得可調諧的雙極性光響應, 從+7000 A/W(Si 底柵為主)到0 A/W(平衡), 最后到—8000 A/W(以MoS2光柵為主), 如圖2(e)所示.因此, 實驗結果表明, 隨著入射波長的增加, 零光響應度(0 A/W)點的頂柵電壓也相應正向移動,并且對入射強度不敏感.Zhang 等[58]也提出了“雙重光柵效應”, 改變器件襯底, 使用禁帶寬度更大的SiC, 在325 nm 波長光照下, 獲得了高達104A/W的響應度, 增益約為4 × 104, 如圖2(f)所示.不僅如此, 使用柔性聚酰亞胺(kapton)膜, 光響應度也有319 A/W, 增益約為1.2 × 103, 探測率高達4.5 ×1011Jones, 開關比高達105, 在柔性器件領域提供了思路.Tu 等[66]通過在柵極介質層中插入鐵電Hf0.5Zr0.5O2層, 利用鐵電局域靜電場引起的強光柵效應和鐵電負電容效應, 實現了4.75 × 1014cm·Hz1/2·W—1的超高光電探測率.

除了MoS2之外, 還有很多其他二維材料例如BP 和ReS2等也在光電器件中使用光柵效應來加強光響應度.Guo 等[17]利用光柵效應實現了具有高增益的MIR BP 光電探測器.光電探測器的光電流在閾值電壓附近的最大跨導點處達到峰值, 這與公式Iph= gmΔVg一致, 如圖2(g)所示, 也意味著這是光柵效應主要的位置.實驗表明在3.39 μm波長下, 探測器具有很高的內部增益, 光響應度達到82 A/W.Thakar 等[67]制作了兩種ReS2光電探測器, 一種ReS2和SiO2襯底直接接觸, 另一種ReS2懸空在SiO2襯底上.他們對直接接觸和懸空的ReS2光電晶體管的響應速度和響應速度的體系結構, 激光功率和柵極偏置依賴性進行了全面研究.盡管懸空會導致柵極調控能力的削弱, 但界面缺陷的減少使之能達到和前者相同的響應速度.通過柵極電壓的調節, 兩種結構的器件的光響應度均能達到約4 A/W, 響應時間最短能達到20 μs, 如圖2(h)所示, 是目前為止速度最快的光電探測器.

4 范德瓦耳斯異質結

4.1 與石墨烯構成的異質結

自從2004 年石墨烯被發現以來, 多種二維材料不斷被發現, 研究人員對二維材料的研究也不斷深入, 這些新穎的二維材料為高性能光電器件的設計和制備提供了新的機遇, 特別在光電探測器方面[68].在室溫下, 石墨烯的光電響應波段可以到中波紅外[69-71]乃至到太赫茲波段[72], 其具有超高的載流子遷移率, 超過15000 cm2·V—1·s—1[73]可用于制作超快響應速度的射頻器件.但是石墨烯作為光電探測器, 受到厚度的限制, 對光的吸收不高, 因此光響應率一直都不是很高, 在幾到幾十A/W 的量級[74-76].另外石墨烯的零帶隙和高導電率, 使得暗電流較大, 探測率也會大大降低.在如何充分利用石墨烯遷移率高、吸收波段寬等優勢, 而又解決石墨烯探測器光響應度不高、暗電流大等劣勢, 利用光柵局域調控在解決這些問題上起著很大作用.

圖3 石墨烯異質結光電探測器: (a) 石墨烯/ MoS2 異質結光電探測器的示意圖; (b) 石墨烯/Bi2Te3 異質結光電探測器的示意圖; (c) 石墨烯/BP 異質結光電探測器的示意圖; (d)光響應度與光照強度的關系; (e)光響應度與波長的關系(VD = —3 V, VG =—30 V); (f)在波長為980 nm, 光電流和光響應隨入射光強的關系 (VDS = 1 V, VG = 0 V).Fig.3.The photodetectors based on graphene heterostructures: (a) Schematic of device architecture graphene/MoS2 photodetector[77]; (b) schematic of the heterostructure phototransistor device[78]; (c) graphene/BP heterostructure photodetector[82];(d) the relationship between photoresponsivity and light intensity[89]; (e) responsivity as a function of the wavelength (VD = —3 V,VG = —30 V)[85]; (f) photocurrent and photoresponsivity versus incident light power at 980 nm.(VDS = 1 V, VG = 0 V)[86].

光增益 G =τlife/τtra很大程度上取決于載波傳輸時間, 可以通過更短的溝道長度, 更大的偏置電壓及更高的載流子遷移率來提高.為了更高的增益,石墨烯的超高遷移率是作為導電溝道的最佳選擇.2013 年, Roy 等[77]利用石墨烯和MoS2的異質結結構設計了具有超高響應度的光電器件, 如圖3(a)所示.其中石墨烯充當導電通道, MoS2充當局域光柵層.在負偏壓下, 界面處的能級對齊, 光激發電子轉移到石墨烯, 空穴仍留在MoS2中形成光柵層.在室溫下, 器件光響應度達到5 × 108A/W,在溫度為130 K 時, 其光響應度高達到1010A/W.Qiao 等[78]設計的石墨烯-Bi2Te3異質結光電探測器具有從可見光到近紅外波長寬帶的光電檢測能力, 如圖3(b)所示, 是純單層石墨烯器件光響應度的1000 倍左右, 達到幾十A/W 的量級, 光增益達到83 左右, 更重要的是, 器件擁有較快的光響應速度, 上升時間只有8.7 ms.Kim 等[38]使用CVD方法生長石墨烯, 用MBE 合成Bi2Se3[79,80], 設計出石墨烯-Bi2Se3異質結新型中紅外光電探測器.通過在窄帶隙Bi2Se3拓撲絕緣體對中紅外和紅外光子的寬頻譜吸收和石墨烯-Bi2Se3界面處的光柵效應對光生載流子進行分離提高了響應光譜范圍和光響應度, 在中紅外波段和近紅外波段, 光響應度分別達到1.97 A/W 和8.18 A/W.Xu 等[81]使用直接帶隙的多層BP 作為增強的光吸收材料, 設計了石墨烯-黑磷(BP)異質結光電探測器.在內建電場作用下, 光激發電子進入BP 作為光柵層, 空穴流入石墨烯層進行導電傳輸.在655 nm 波長處光響應度達到55.75 A/W, 在785 nm 波長處光響應度達到1.82 A/W.同樣的, Liu 等[82]采用CVD合成及干法轉移的方法實現了超快響應、性能穩定的石墨烯/BP 紅外波長的光電探測器, 器件中的頂層的石墨烯不僅充當封裝層, 而且還充當高效率的載流子傳輸層, 如圖3(c)所示.石墨烯-BP 異質結光電探測器在近紅外波長(1550 nm)處表現出的超高的光響應, 達到3.3 × 103A/W, 光增益高達1.13 × 109, 上升響應時間也只有4 ms.Liu 等[83]設計的石墨烯/MoSe2光電探測器同樣獲得超高光響應, 在550 nm 波長處高達1.3 × 104A/W.Lan等[84]在單層石墨烯上用CVD 生長WS2構成石墨烯-WS2范德瓦耳斯異質結.由于石墨烯-WS2界面的內建電場, 有效地分離了光生電子空穴對, 讓探測器顯示出了更高光響應度, 在405 nm 波長處光響應度達到950 A/W, 如圖3(d)所示, 在340—680 nm范圍內具有寬光譜響應.利用多層ReS2具有直接帶隙, 吸光率高的特點, Kang 等[85]采用堆疊方法設計了石墨烯-ReS2異質結光電探測器.由于ReS2作為光吸收層引起光柵效應, 器件在偏壓為—3 V,柵壓為—30 V 和400 nm 光照下達到最大光響應度為7 × 105A/W, 如圖3(e)所示, 對應的外量子效率高達2.2 × 108%, 探測率為1.6 × 1013Jones 和只有30 ms 的快速響應時間, 比單純的ReS2探測器高3 個數量級, 說明了光柵效應能夠明顯提高光電流的產生.將探測器結構中的ReS2光柵層替換為MoTe2, Yu 等[86]獲得高效的近紅外探測器, 電子被局域在MoTe2中引起光柵效應, 使器件表現出極高光增益達到4.69 × 108和探測率達到1.55 ×1011Jones.不僅如此, 該器件擁有高帶寬光電檢測從可見光到1064 nm, 特別是在1064 nm 波長下,光響應達到970.82 A/W, 如圖3(f)所示.此外, 在易彎曲基板上仍保持良好的光電檢測能力, 在VD=1 V, 1064 nm 處具有60 A/W 的高響應度, 它為高效, 柔性, 低成本的高寬帶近紅外光電探測器提供了方向.另外，這里列舉了近些年基于石墨烯異質結(Gr)的光柵局域調控光電探測器的文章，在光響應度、增益和響應速度方面比石墨烯光電探測器都有明顯提高，如表1 所示.

表1 基于石墨烯異質結(Gr)的光柵局域調控光電探測器Table 1.Graphene(Gr)-based photodetectors with grating photogating.

4.2 不同二維材料構成的異質結

4.1 節主要介紹了基于石墨烯的異質結光電探測器, 接下來將討論其他非石墨烯異質結的光電性能.利用pn 異質結構成的強烈內建電場可有效地分離光生電子空穴, 縮短響應時間的同時, 還可以用靜電作用調控載流子的濃度及能帶結構來提高光電探測器的性能.

Qi 等[89]采用兩次CVD 生長的方法實現了超快響應、性能穩定的PbI2/WS2紅外波長的光電探測器, 如圖4(a)所示, 其中頂層的PbI2既為封裝層也為載流子傳輸層, WS2作為光柵層來調節載流子濃度.由于pn 異質結中的強烈的內建電場,加速了光激發電子-空穴對的分離和抑制了光生載流子的復合, 從而導致高達5.57 × 102A/W 的光響應性, 上升時間和衰減時間也分別只有24 ms和33 ms, 如圖4(b)所示.其中, 光響應度是其他氣相生長垂直pn 異質結構中的最高值, 與單純PbI2相比, PbI2/WS2異質結光電探測器的光響應性提高了3 個數量級.此外, 在施加—60 V 的柵極電壓偏置時, 可將其進一步提高至7.1 × 104A/W; 在柵極電壓為—40 V 時, 探測率超過4.9 × 1013Jones.Yang等[90]利用CVD 制備了毫米級大尺寸WSe2/SnS2縱向雙層異質結, 如圖4(c)所示.Krause 等[91]用第一性原理計算出的雙層WSe2/SnS2異質結構的相對能帶排列.由于異質結中WSe2的價帶高于SnS2的導帶, 形成了Ⅲ型斷裂能帶結構[92], 如圖4(d)所示, 抑制了光生載流子的復合, 從而提高了光響應度.他們利用多電極的背柵場效應晶體管, 測出3 種不同工作模式: 純WSe2晶體管、WSe2/SnS2串聯晶體管及WSe2/SnS2并聯晶體管.其中, 串聯模式WSe2/SnS2pn 結具有極低的漏電流, 只有10—14A, 開關比高達107.在光電方面, 串聯模式WSe2/SnS2異質結光響應性為108.7 mA/W, 探測率為4.71 × 1010Jones 和響應速度為500 μs.相較于文獻所報道的CVD 生長的縱向異質結探測器, 其光電性能有了一定的提升, 甚至優于部分機械剝離堆疊而成的異質結光電探測器.Ye 等[93]以BP 為光敏層、WSe2為溝道層, 制備出了縱向光柵結構的BP/WSe2的高帶寬光電探測器, 如圖4(e)所示.在光激發條件下, BP 和WSe2都可以產生光生載流子, 內建電場促使BP 中的光生電子轉移到WSe2中, 導致溝道材料WSe2中更多的電子被收集從而形成更大的光電流.而WSe2中的光生空穴被內建電場轉移到BP 中并留在BP, 作為光柵對溝道進行調制.室溫下可見光和紅外光響應率分別可以達到103和5 × 10—1A/W, 探測率分別高達1014和1010Jones, 如圖4(f)所示.器件利用BP 具有各向異性[10]特點, 測得器件在1550 nm波長下偏振依賴光響應度最大約40 mA/W, 其入射光沿水平軸偏振(定義為0°); 最小響應度約68 mA/W, 其偏振方向沿豎直方向(定義為90°),器件表現為比較敏感的極化紅外光照探測.Guo等[94]提出一種新結構, 通過引入陷阱層來提高增益, 實現了超高的光響應度, 如圖4(g)所示.光照時, p 型WSe2納米片作為光敏柵極提供外部電壓對ZnO 導電溝道內的耗盡區域進行調制, 如圖4(h)所示.其中, 光電探測器的增益和響應時間分別由場效應調制和光驅動晶體管的轉換速度確定, 利用此機制光電探測器的光響應度和增益分別達到4.83 × 103A/W 和104, 同時, 也得到了較快的響應時間為10 μs, 如圖4(i)所示.

圖4 基于光柵效應的PN 異質結光電探測器 (a) PbI2/WS2 異質結構光電探測器; (b) PbI2/WS2 光電探測器的光響應時間[89];(c) WSe2 /SnS2 多電極異質結構背柵器件的示意圖; (d) WSe2/SnS2 異質結的能帶結構和光激發、層間弛豫過程的示意圖[90];(e)基于光柵效應的WSe2/BP 光電探測器示意圖; (f) 在1 mW/cm2 的入射功率密度和0.5 V 偏置下, 光增益G 和探測率D 對不同波長照明的依賴關系[93]; (g) 在637 nm 光照下器件的示意圖; (h)頂柵電極側面和重疊區域之間形成導電通道Vtg; (i)一個調制周期: 上升時間為10 μs、下降時間為10 μs 的快速分量和20 μs 的慢速分量組成[94].Fig.4.PN heterojunction photodetector based on photogating effect: (a) Schematic device structure of PbI2/WS2 photodetector fabricated on SiO2/Si substrate; (b) time-resolved photoresponse of PbI2/WS2 phototransistors[89]; (c) schematic diagram of the multielectrode WSe2/SnS2 vdW heterostructure backgate device; (d) schematic diagram of WSe2/SnS2 heterostructure band structure and photoexcitation, interlayer relaxation process in WSe2/SnS2 heterojunction[90]; (e) schematic illustration of the BP on WSe2 photodetector with photogate structure; (f) the dependence of the photogain G and detectivity D ? on the different wavelength illumination at 1 mW/cm2 incident illumination power density and 0.5 V bias[93]; (g) schematic illustration of the device in the dark under 637 nm illumination; (h) a conductive path for Vtg is formed between side top-gate electrode and overlapped region; (i) a single modulation cycle The rise time is ≈10 μs The fall time consists of a fast component of ≈10 μs and a slow component of ≈20 μs[94].

5 總結和展望

本文主要闡述了光柵效應形成的原因和特性,總結了二維材料及其異質結在光柵局域調控方面的最新研究進展.雖然近幾年關于光柵局域調控在二維光電探測器中的研究不斷取得突破, 利用此效應制備的光電探測器的性能也有顯著提高, 但依然存在著一些問題需要去解決.目前絕大部分二維材料都是通過機械剝離獲得, 無法大規模制備, 與實際應用要求還有較大的差距; 光柵局域調控的二維光電探測器在高光響應度和高響應速度上依舊難以同時獲得.

為了解決以上問題, 未來可在以下方面進行探究: 優化材料的合成方式, 實現能規模化制備的方法; 改善器件結構, 可將石墨烯和pn 異質結結合起來, 利用石墨烯的高遷移率獲得高增益和高響應度, 同時pn 結中的內建電場加速電子空穴對的分離與復合提高響應速度, 如圖5 所示, 進一步去提高二維光電探測器的性能.總的來說, 光柵局域調控在改善二維光電探測器性能有著優異的表現, 在未來光電探測器應用上有著巨大潛力.

圖5 基于光柵效應的光電探測器新結構 (a)器件結構示意圖; (b)器件結構能帶圖Fig.5.New structure of photodetector based on photogating effect: (a) Schematic diagram of device structure; (b) schematic diagram of energy band structure.