华中科大翟天佑 ǀ Adv. Mater.：集高探测灵敏度和光响应度于一身的隧穿二极管

【引言】

近年来，基于原子层厚度的范德华异质结由于其丰富的电子、能带结构而在光电子器件领域受到广泛关注。目前常见的范德华异质结光探测器都是基于光电导/光栅效应、光伏效应等。然而这些两大类探测器通常无法同时具备较高的光响应度和探测灵敏度（光响应开关比）。例如：a）对于光电导/光栅效应而言，电子或空穴被本征态捕获，这些载流子则作为本征栅极延长光生载流子的跃迁时间，导致形成较高的光响应度，然而伴随着的则是较慢的响应速度以及较低的响应开关比；b）对于光伏效应而言（p-n二极管），在负偏压下，由于结区势垒抑制得到较低的暗电流，从而得到较高的响应开关比，然而由于沟道内主要靠少子导电，所以光响应度较低。因此，构筑同时具有较高的光响应度和探测灵敏度（光响应开关比）的新型异质结是非常有意义的。

【成果简介】

近日，来自华中科技大学的翟天佑教授团队在Advanced Materials期刊上发文，题为Tunneling Diode Based on WSe₂/SnS₂ Heterostructure Incorporating High Detectivity and Responsivity。研究人员通过机械转移的方法在hBN衬底上构筑了基于WSe₂/SnS₂的隧穿p-n二极管。通过Raman、PL等表征手段发现WSe₂和SnS₂结区具有较强的层间耦合作用。通过电学测试发现器件在负偏压下，暗电流主要由耗尽层决定处于噪声水平。然而在正偏压下，器件暗电流主要由direct tunneling和FN tunneling决定。对这种特殊二极管的光电响应性能进行测试，在负偏压下以及光照下，与传统的p-n二极管不一样，该器件不仅具有较高的光响应开关比（10⁵），同时由于光照下产生大量的光生载流子，使得载流子以直接隧穿的方式跃过耗尽区，从而使得多子都可以参与导电过程得到了较高的光响应度。并且通过栅压的调控可以在负偏压下同时得到较高的探测灵敏度（10¹³ Jones）、光响应开关比（10⁶）、光响应度（244 A/W）。论文的第一作者为华中科技大学讲师周兴，翟天佑教授为论文通讯作者。

【图文导读】

图1 SnS₂/WSe₂异质结的光学表征

（a-b）SnS₂/WSe₂异质结的示意图

（c）SnS₂/WSe₂异质结的光学照片

（d）SnS₂、WSe₂、SnS₂/WSe₂异质结的拉曼单谱对比

（e-f）异质结区的拉曼mapping

（g）SnS₂、WSe₂、SnS₂/WSe₂异质结的PL单谱对比

（h）SnS₂/WSe₂异质结的PL mapping

（i）WSe₂、SnS₂/WSe₂异质结的荧光寿命

图2 器件的电学性质

（a）不同漏源偏压下器件的转移特性曲线

（b）不同栅压下器件的I_ds-V_ds曲线

（c）I_ds-V_ds曲线根据FNT拟合

（d）在不同漏源偏压下的异质结结区的能带结构示意图

图3 器件的光电响应测试

（a）器件光响应过程的示意图

（b）异质结的光谱响应曲线

（c）异质结在550 nm单波长光照下的明暗电流I_ds-V_ds曲线

（d）负偏压下的光响应曲线的DT拟合

（e）不同波长光照下，栅压对光响应的调控

（f）零栅压下器件的光响应循环稳定性测试

图4 光电流mapping测试

（a）异质结光电流mapping测试示意图

（b）光电流mapping测试图谱

【小结】

研究人员从能带工程出发，设计SnS₂和WSe₂这种容易发生隧穿电流的III类异质结。并利用负偏压下，大量的光生载流子跃过结区势垒，发生direct tunneling过程，从而使得多子参与导电过程，在得到较高光响应开关比的同时还保留了较高的光响应度。该工作为二维异质结在高性能光探测器领域的研究和应用提供了一条新的思路。

文献连接：Tunneling Diode Based on WSe₂/SnS₂ Heterostructure Incorporating High Detectivity and Responsivity

本文由翟天佑课题组撰稿，材料人特约作者吴禹翰邀请、审核及发布。