二維半導(dǎo)體光電探測器的發(fā)展、機(jī)遇和挑戰(zhàn)

張言蹊

（湖北第二師范學(xué)院 湖北 武漢 430205）

1 引言

在20世紀(jì)二維半導(dǎo)體是否存在成為一個(gè)備受爭議的話題，直至2004年，二維半導(dǎo)體材料制備成功后才開啟了科研人員對二維半導(dǎo)體材料的集中研究，這主要是基于二維半導(dǎo)體特殊的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)[2]。隨著二維半導(dǎo)體材料更多功能的發(fā)現(xiàn)，如今二維半導(dǎo)體光電探測器開始被應(yīng)用于人們的日常生活中。

2 二維半導(dǎo)體光電探測器類型

2.1 過渡金屬硫族化合物

過渡金屬硫化物的種類比較多，但當(dāng)前對二維半導(dǎo)體光電探測器的研究主要集中在二硫化鉬，這主要是由于二硫化鉬在具有良好的光電效應(yīng)的同時(shí)還具有穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及良好的機(jī)械性，這使二硫化鉬材料在電子器件的生產(chǎn)和制造方面有著較為廣闊的前景。同時(shí)二硒化鎢材料在光電探測器方面也具有一定的應(yīng)用潛力，但由于二硒化鎢對于環(huán)境的要求比較高，在不同的環(huán)境下其光電流效應(yīng)表現(xiàn)差異非常大，例如：在真空環(huán)境下二硒化鎢的響應(yīng)率只有幾十A/W，而在氨氣環(huán)境中卻能夠達(dá)到 884 A/W[3]。

2.2 黑磷

黑磷也是近年來備受關(guān)注的一類二維半導(dǎo)體光電探測器材料，當(dāng)前黑磷材料制備技術(shù)可以剝離出單層黑磷和多層黑磷，多層黑磷是一種雙極性半導(dǎo)體，具有較高的遷移率，不僅如此，黑磷的電學(xué)性能、光學(xué)性能等有明顯的各向異性。少層黑磷在成像方面具有重要的應(yīng)用，少層黑磷能夠接受紅外光信號，并將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化和成像。黑磷具有良好的特性，在二維半導(dǎo)體探測器方面的應(yīng)用具有較大的潛力，但當(dāng)前黑磷結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定制約了其發(fā)展和應(yīng)用前景，黑磷在空氣中容易吸水并與氧氣發(fā)生反應(yīng)，在黑磷表面生成新的化學(xué)物質(zhì)，而新化學(xué)物質(zhì)的生成會極大地影響黑磷在各方面的性能，因此在今后的黑磷研究過程中，需要注重對于黑磷鈍化或者包裹方面的研究，使得黑磷在發(fā)揮良好性能的同時(shí)，不容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，延長黑磷使用的時(shí)長。

2.3 其他二維半導(dǎo)體材料

隨著對二維半導(dǎo)體材料的深入研究，很多其他材料也開始被發(fā)現(xiàn)，并被納入二維半導(dǎo)體材料的研究范疇，如第三主族金屬硫化物，第四主族金屬硫化物等，這些材料經(jīng)過相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)在二維半導(dǎo)體的應(yīng)用方面也具有較大的潛力。

盡管當(dāng)前的二維半導(dǎo)體材料種類比較豐富，但各種二維半導(dǎo)體材料都具有其優(yōu)勢，同時(shí)也具有缺陷，例如：黑磷雖然具有良好的光電效應(yīng)性能，但是黑磷本身卻并不穩(wěn)定，很難在實(shí)際中得到應(yīng)用。除此之外，在當(dāng)前的研究過程中，對于選用何種材料應(yīng)用到探測器的制造中非常關(guān)鍵。

3 改進(jìn)二維半導(dǎo)體光電探測器性能措施

3.1 等離子體天線

等離子金屬納米天線結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光吸收通常有以下兩種方式：首先是金屬納米結(jié)構(gòu)局域表面等離子體引起金屬傳導(dǎo)電子共振，極大地增強(qiáng)了局域電磁場，提高了半導(dǎo)體對光的吸收；其次是金屬納米天線充當(dāng)亞波長散射單元，并且能夠耦合和捕獲入射光的平面波等。除了增強(qiáng)光吸收之外，等離子體光學(xué)天線納米結(jié)構(gòu)中共振激發(fā)的表面等離子體的衰退能產(chǎn)生熱電子，并將熱電子注入半導(dǎo)體材料中，從而提高光電探測器性能。

3.2 光波導(dǎo)

光波導(dǎo)也是一種有效提高光吸收的手段。光波導(dǎo)引導(dǎo)光在介質(zhì)中傳播，介質(zhì)可以吸收波導(dǎo)邊界處的消逝場，并產(chǎn)生電荷-空穴對，從而提高光電流.異質(zhì)結(jié)光波導(dǎo)光電探測器便是利用光波導(dǎo)手段進(jìn)行設(shè)計(jì)的，整個(gè)器件設(shè)計(jì)到硅絕緣層表面，通過將石墨烯集成到硅光波導(dǎo)表面，并在兩端設(shè)計(jì)了一些懸空的模板波導(dǎo)用來避免氧化物對中紅外光的吸收，有效提升了材料的光電效應(yīng)。

3.3 光學(xué)共振腔

光學(xué)共振腔中提高入射光的強(qiáng)度，由于光的反射和相干，腔體中的電場會大大加強(qiáng)，這種方法在光通信領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，然而這種光學(xué)共振腔往往只能在很窄的帶寬下增大光強(qiáng)。除此之外二維半導(dǎo)體材料由于自身的元素空位、雜質(zhì)和表面污染等影響，往往存在較多的缺陷態(tài)，這些缺陷態(tài)將載流子捕獲，降低了電子-空穴的復(fù)合速率。因此，二維半導(dǎo)體材料響應(yīng)速度往往較慢，通常在毫秒量級，難以滿足如高速成像和遠(yuǎn)程通信等對響應(yīng)速度要求較高的領(lǐng)域方面的應(yīng)用，設(shè)計(jì)光電二極管可能是最常用的提高響應(yīng)速度的方案，由于界面處內(nèi)建電場的存在，減少了載流子的傳輸時(shí)間，提高了響應(yīng)速度。

4 二維半導(dǎo)體光電探測器研究展望

隨著科研人員對于二維半導(dǎo)體的深入研究，越來越多有潛力成為良好的二維半導(dǎo)體探測器制作的材料被挖掘出來，使探測器的制作材料有了更多的選擇，然而當(dāng)前二維半導(dǎo)體材料最大的問題是目前沒有找到一種二維半導(dǎo)體材料及制作方式，能夠使得材料在不同的環(huán)境下都能夠保持穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)和良好的電熱性能，因此在今后的二維半導(dǎo)體研究中，相關(guān)科研人員需要從以下方面著手：首先科研人員需要不斷繼續(xù)尋找新的具有良好性能的二維半導(dǎo)體，其次需要研究增強(qiáng)二維半導(dǎo)體材料各方面性能的制備技術(shù)，使得當(dāng)前已發(fā)現(xiàn)的二維半導(dǎo)體材料能夠克服缺陷，獲得更為廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間；最后需要采用采用一些光學(xué)手段，如等離子技術(shù)、光波導(dǎo)、光學(xué)諧振腔等提高二維半導(dǎo)體材料對光的吸收。