二維材料光電探測器的研究初探

楊 雪，高嵩垚，張 躍，赫明威，姜海祥

(1.吉林化工學(xué)院 理學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.四平市鐵西區(qū)孟家?guī)X鎮(zhèn)中心小學(xué)，吉林 四平 136521)

光電探測器的工作過程是通過吸收光信號中的光子能量使光信號轉(zhuǎn)化成電信號的，它反映了光功率或光通量的大小。不斷改良的高品質(zhì)光電探測器涉及日常生活中的方方面面。據(jù)摩根定律可知，硅基半導(dǎo)體的發(fā)展已經(jīng)日漸接近瓶頸[1]，發(fā)展?jié)摿?yán)重受到其尺寸和性能等因素的限制，因此探索優(yōu)質(zhì)二維半導(dǎo)體材料已成為一個(gè)亟待解決的問題。

二維材料的高遷移率、高吸光率和CMOS兼容以及高透明、強(qiáng)韌性和低成本等優(yōu)異物理性質(zhì)[2]，更加符合人們對新型器件小型化、集成化的發(fā)展需求，為進(jìn)一步改善光電探測器的整體性能提供了新的選擇和方向。然而，二維材料的超薄厚度卻會限制其對光的吸收能力，從而阻礙了外部量子效率和探測能力的提高；雖然現(xiàn)在許多二維光電探測器顯示出較高的光響應(yīng)率，但這主要是通過犧牲響應(yīng)速度來延長載體的使用壽命；同時(shí)，對于未來的探測器陣列，高增益對材料的均勻性和加工工藝要求非常高，在對其生產(chǎn)和應(yīng)用方面的難度頗大。為了進(jìn)一步提高光電探測器的整體性能，研究者們紛紛投入到對二維材料光電探測器的研究中。

1 光電探測器的工作原理

光電探測器的工作原理可簡述為物質(zhì)受外部輻射照射電導(dǎo)率發(fā)生改變，其主要內(nèi)容涉及光電效應(yīng)中的光電流。光電流的產(chǎn)生機(jī)制主要分為兩種：一種是光躍遷引起的自由載流子的激發(fā)，包括光生伏特效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)；另一種是熱效應(yīng)，包括光-熱電效應(yīng)和光-輻射熱效應(yīng)[3]。

(1)光生伏特效應(yīng)

光生電子-空穴對被半導(dǎo)體與金屬接觸界面上的p-n結(jié)或肖特基結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)建電場[4]分隔開并發(fā)生定向移動，此為光生伏特效應(yīng)。

(2)光電導(dǎo)效應(yīng)

在光電導(dǎo)效應(yīng)中，光激發(fā)過量載流子導(dǎo)致了自由載流子濃度的增加和半導(dǎo)體電阻的降低。多余的載流子被外加的偏置電壓隔開，電子向源極流去，空穴向漏極流去，從而形成了光電流。

(3)光-熱電效應(yīng)

光-熱電效應(yīng)是由不均勻的光輻射引起的熱效應(yīng)，此時(shí)會因產(chǎn)生的不同溫度梯度而產(chǎn)生光電流和光電壓。

(4)光-輻射熱效應(yīng)

光-輻射熱效應(yīng)是基于熱敏材料的電阻率變化。

2 基于二維材料的光電探測器

基于二維材料的光電探測器的種類繁多，在此僅對石墨烯、過渡金屬硫化物、異質(zhì)結(jié)和納米材料的光電探測器做出分析。

(1)石墨烯光電探測器[5,6]

石墨烯往往被應(yīng)用在高速、寬光譜光電探測器的制作上。其寬光譜特性可以使石墨烯光電探測器實(shí)現(xiàn)從紫外光到太赫茲的轉(zhuǎn)換，這一優(yōu)點(diǎn)是以往傳統(tǒng)光電探測器所無法比擬的，但單層石墨烯的光吸收率僅為2.3%[5]，該材料器件的響應(yīng)率和增益方面受到了自身能帶結(jié)構(gòu)的制約?；谑┎牧系墓怆娞綔y器可大致分為三種：(1)金屬-石墨烯-金屬(M-G-M)結(jié)構(gòu)的光電探測器；(2)微腔、波導(dǎo)、等離子增強(qiáng)型光電探測器；(3)雜化復(fù)合型光電探測器。

(2)過渡金屬硫化物光電探測器[2]

二維的過渡金屬硫化物單層薄膜為直接帶隙材料，其光吸收率和載流子遷移率均大于二維石墨烯材料，所以能夠減少在電子躍遷過程中損失在聲子中的能量，獲得更多的光能。基于該材料的光電探測器通常分為光電導(dǎo)型和光電晶體管型兩種結(jié)構(gòu)，如圖1所示。應(yīng)用于光電探測器的二維過渡金屬硫化物種類有很多，如：MoS2，WS2，ReS2等。其中，ReS2被視為一種有可能在固態(tài)器件制造上取代硅的新型二維材料。不同于絕大多數(shù)的過渡金屬硫化物材料，需要通過使厚度由多層減薄到單層，間接帶隙才能轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋叮琑eS2始終為直接帶隙，與層數(shù)無關(guān)。用機(jī)械剝離的方法制備的單層及多層的ReS2材料，用其所制備的器件的開關(guān)比高達(dá)107。

圖1 光電探測器結(jié)構(gòu)圖

(3)異質(zhì)結(jié)光電探測器[4]

用二維材料制成的異質(zhì)結(jié)要比傳統(tǒng)意義上的異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有更多優(yōu)勢，如：(1)因二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)層與層之間依靠范德瓦爾斯力連接，所以可以完全避免傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)易出現(xiàn)晶格失配的現(xiàn)象；(2)二維材料的種類有很多，其帶隙分布十分廣泛，可以覆蓋從紫外到遠(yuǎn)紅外波段的范圍，所以用其組合制成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電器件的能帶結(jié)構(gòu)將會更加豐富。常見的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)可分為兩種，分別為石墨烯與過渡金屬硫化物所構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和過渡金屬硫化物與其他材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

(4)新型納米材料光電探測器[7]

化學(xué)式為Bi2Te3的銻化鉍是一種具有特殊能帶結(jié)構(gòu)與光電特性的拓?fù)浣^緣體材料，帶隙寬度約為1.5 eV，其高效的光吸收機(jī)制和體態(tài)半導(dǎo)體的特征讓它在光電探測器方面的應(yīng)用上表現(xiàn)出很大的潛能。由石墨烯和銻化鉍制成的新型異質(zhì)結(jié)集合了二者高載流子遷移率、寬波段光吸收、小光生載流子復(fù)合幾率[8]等優(yōu)點(diǎn)，在光電探測上存在明顯優(yōu)勢。新型納米材料常在構(gòu)建二維異質(zhì)結(jié)光電探測器中被引用，可對光電探測器的性能起到整體性的提升作用。

3 改善光電探測器性能的策略

科技生產(chǎn)的需要迫使研究者們探尋制造更高性能的光電探測器。針對光電探測器現(xiàn)存在的光吸收率低，材料制備不易，結(jié)構(gòu)有缺陷等問題，可以從以下幾方面著手制得更高質(zhì)量的二維光電探測器。

3.1 增大光吸收率

光電探測器工作的第一步就是通過光電材料吸收光子，進(jìn)而產(chǎn)生電荷-空穴對。因此只要提高光電材料的光吸收能力，就可以從源頭上對光電探測器的性能加以改善。為了彌補(bǔ)二維材料在光吸收率方面的缺陷，可以選用離子體天線、光波導(dǎo)和光學(xué)共振腔等[9,10]方法加以改善。

3.2 改進(jìn)材料制備方法

為了改善光電探測器的性能，還可以在材料制備上想辦法改進(jìn)。常見的制備方法有以下三種:

(1)機(jī)械剝離法

該方法操作簡便，無須昂貴的實(shí)驗(yàn)器材，且通過此方法所得材料性能與其塊狀結(jié)構(gòu)時(shí)一致，質(zhì)量高且晶格結(jié)構(gòu)完整[11]。但同時(shí)也存在薄層厚度不均，大小、尺寸不可控，產(chǎn)量低，無法量產(chǎn)的缺點(diǎn)。

(2)液相剝離法

溶劑剝離法：該方法能夠大幅度降低剝離所耗費(fèi)用，但卻面臨著所制薄膜厚度不一，單層和大面積薄膜的產(chǎn)率低等缺點(diǎn)。

化學(xué)剝離法：在混入離子后會無法避免的引入大量雜質(zhì)，無法制出厚度均勻，尺寸可控的高性能材料[3]，在后續(xù)在光電探測器的應(yīng)用之上會有更多的局限。

(3)化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相積沉淀方法具有易操作，靈活，可復(fù)制且成品厚度、尺寸可控[12]等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前應(yīng)用最為廣泛的制備方式。

3.3 其他改善方案

除上述方案外，還可以采用如形成大的肖特基勢壘、設(shè)計(jì)光電二極管[13,14]和封裝等方法從解決二維材料的空位、雜質(zhì)、污染[15]等方面改善二維光電探測器的性能。

4 結(jié) 語

通過對多種光電探測器的分析可知：石墨烯材料的二維光電探測器的光吸收率低，僅適用于對波段寬度和響應(yīng)速度要求高，而對靈敏度無過多要求的領(lǐng)域；二維過渡金屬硫化物薄膜制成的光電探測器在各方面的性能上的表現(xiàn)基本良好，使用不同的過渡金屬硫化物材料可以獲得不同的光響應(yīng)、響應(yīng)速度和適用波段等；二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電探測器繼承了多種光電材料的優(yōu)勢，但關(guān)于更加優(yōu)異的材料組合形式仍需繼續(xù)探索；將新型納米材料應(yīng)用于二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電探測器上，可以在不同程度上提高光電探測器的性能，基于納米材料的應(yīng)用在未來將表現(xiàn)出良好的態(tài)勢?；趯ぷ髟?、性能參數(shù)、制作材料等影響光電探測器性能因素的考慮，可以從增大光吸收率，改變二維材料的制備，減少結(jié)構(gòu)缺陷等方面對二維材料光電探測器的性能加以改善。