新型宽波段超快光电探测器:片层垂直取向MoSe2薄膜与Si异质结

2017-12-12 13:21:00
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光电探测器是将光讯号转变成电讯号的光电器件,被广泛应用于成像、光通讯、工业安全与军事等各方面。构筑具有高灵敏度、宽光谱响应(或特定波段响应)、高响应速度的光电探测器是研究的重要方向之一。传统硅基光电探测器虽然工艺成熟,但也存在灵敏度差、对紫外和红外响应弱等缺陷。而与传统的Si等三维体材料相比,二维层状材料具有单原子层厚度、大的光吸收系数以及高迁移率等优异的光电性质,因此可以用来制备高灵敏度、宽光谱响应,以及柔性的光电探测器。过渡金属硫属化物(TMDs)是一类重要的二维材料,其中代表性的材料之一如单层MoSe2具有1.6 eV的带隙、较高的载流子寿命和较大的光电流,是制备高灵敏光电探测器的理想材料体系。然而,对于实际应用的光电探测器来说,响应速度也是非常重要的一项参数,但是目前大多数的二维材料光电探测器都是基于金属-半导体-金属(MSM)或光电场效应管等横向器件结构,载流子在电极间较长的传输时间以及材料表面的陷阱态限制了器件的响应速度,目前报道的基于单层或多层MoSe2纳米片的光电探测器的响应速度通常在15ms–8s,因此难以满足实际应用的需要。
考虑到传统的光电探测器一般采用垂直p-n结的二极管结构,利用强的内建电场及短的电荷传输距离,可以极大地提高响应速度。因此,构筑基于MoSe2同质/异质结的光电探测器是进一步提高器件性能高效可行的方法。基于以上思路,苏州大学的揭建胜教授课题组将成熟的硅工艺和MoSe2优异的光电性质结合起来,充分利用二者的优势,设计构筑了新型高性能Graphene/MoSe2/Si异质结光电探测器,实现了其超快和宽光谱响应。研究者通过磁控溅射,在p型Si基底上大面积生长出具有片层垂直站立取向的MoSe2薄膜,实现了高质量pn结的构筑,强的内建电场可以有效地分离光生载流子。同时由于MoSe2高的面内迁移率,这种特殊的垂直站立层状结构可以确保载流子的快速分离和传输,从而提供了电荷传输的高速通道。另外,通过采用石墨烯作为透明电极,一方面促进了光生载流子的分离,器件整流效应显著增强,有效提高了MoSe2/Si异质结的性能;另一方面进一步增强了载流子收集能力,避免了载流子的堆积和复合。该新型光电探测器结构的构筑为快速响应提供了良好的基础。进一步对器件进行紫外、可见及近红外不同波长的光响应测试,均表现出良好的光探测能力,实现了350-1310 nm的宽光谱响应,以及270 ns的超快响应速度,这些性能代表了目前基于MoSe2或MoS2光电探测器的最好结果之一。
此项研究构筑的新型Graphene/MoSe2/Si异质结光电探测器不仅为制备高性能二维光电器件提供了新的研究思路和重要可行的发展方向,也为二维材料在硅基光电集成这一重要领域中的应用奠定了基础。
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