南方科技大学 AFM：基于2D vdW异质结层间激子跃迁的超高探测率短波红外光探测器

【研究背景】

短波红外（SWIR）光电探测器可探测1.0–3.0 μm的光谱，可广泛应用于遥感、成像和自由空间通信等领域。然而，传统的商用SWIR光电探测器主要依赖于HgCdTe或InAs/GaSb-II型超晶格和InGaAs/GaAsSb II-型量子阱。但是它们都存在一些瓶颈，譬如，带隙可随三元化学成分调节的HgCdTe半导体存在原料毒性和均匀性差、产率低等问题。而且，HgCdTe SWIR光电探测器必须在低温下工作才能抑制暗电流（或热噪声），以确保较高的比探测率。此外，基于II型超晶格或多量子阱的传统SWIR光电探测器需要使用昂贵的分子束外延工艺来实现器件制备。因此，开发新型非制冷、高性能SWIR光电探测器显得意义重大。通过2D层状材料vdW异质结能带工程，我们有可能在II型半导体异质结界面能带排列中实现层间激子跃迁，从而使可探测的光谱范围超过单一2D材料层的截止波长，制备出超越材料自身带隙限制的新型SWIR光探测器。

【成果简介】

近日，南方科技大学的龚佑品研究副教授、张立源副教授和陈锐副教授（共同通讯作者）联合报道了一种基于层间激子跃迁行为的2D GaTe/InSe vdW异质结SWIR光电探测器。他们首先生长出高质量的GaTe和InSe单晶块体并成功制备了GaTe/InSe-II型vdW异质结，随后通过理论和实验在该异质结中证实了层间激子跃迁(~0.55 eV)，从而实现了超越单一GaTe(截止波长~0.73 μm)和InSe (截止波长~0.95 μm)带隙限制的高性能短波红外探测。具体而言，器件在1064 nm和1550 nm波长的探测率分别高达~10¹⁴ 和~10¹² Jones。该结果表明，具有II型能带排列的2D vdW异质结产生了层间激子跃迁，这为在SWIR或更长波长范围内开发高性能光电器件提供一种可行的策略，从而超越了组成材料的带隙和异质外延的限制。该研究成果以题为“Interlayer Transition in a vdW Heterostructure toward Ultrahigh Detectivity Shortwave Infrared Photodetectors”发表在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。第一作者为齐太磊研究助理与龚佑品研究副教授（共同第一作者）。

【图文解读】

图一、InSe/GaTe异质结的DFT计算

（a）异质结构的简单模型的原子构型；

（b）使用VASP计算的电子局部化函数（ELF）等高线图；

（c）异质结中相应的全部和部分（基于原子类型）态密度。

图二、GaTe/InSe vdW异质结用于SWIR光电探测

（a）GaTe/InSe光电探测器的3D结构示意图；

（b）器件光学图；

（c）器件中GaTe、InSe和GaTe/InSe三个区域的拉曼光谱；

（d）GaTe/InSe vdW异质结构的II型能带排列。

图三、GaTe/InSe vdW异质结器件的光电响应特性

（a）在暗态和1550 nm光照下的I_ds-V_ds曲线；

（b）在激发波长为1550 nm下，光电流对偏压的线性依赖特性；

（c）在暗态和1064 nm光照射下的I_ds-V_ds曲线及光电流特性。

图四、GaTe/InSe vdW异质结器件的光响应度

（a）1064和1550 nm激光照射下光电流的功率依赖性；

（b）在1550 nm光照下的光响应度与功率的关系；

（c）在1550 nm光照下，不同偏压下的光响应度与功率的关系；

（d）GaTe/InSe vdW异质结光探测器与单一InSe（GaTe）器件的光响应度与波长的关系对比。

图五、GaTe/InSe vdW异质结器件的噪声和比探测率

（a）电流噪声功率密度谱；

（b）等效噪声功率与激发波长的关系；

（c）宽波段范围内（405-1550 nm），在V_ds=1 V和V_ds=5 V（插图）偏压下的比探测率D*；

（d）ln(J)与V_ds^1/2的关系曲线表明暗电流主要是热电子发射机制。

【小结】

综上所述，作者利用逐层干法转移的方式制备了GaTe/InSe vdW异质结。该GaTe/InSe vdW光电探测器通过在II型能带排列的层间跃迁实现了在1.0-1.55 μm波段内非凡的探测能力，超出了单一GaTe和InSe的固有带隙的限制范围。这些性能包括在1064和1550 nm时分别高达267.4和1.5 A W^–1的光响应度，以及分别高达~10¹⁴和 10¹² Jones的比探测率D*。该器件超高的比探测率可与基于InGaAs和InAs窄带隙半导体，HgCdTe、InAs/GaSb II型超晶格和InGaAs/GaAsSb II型的最新商业SWIR光电探测器相媲美。结果显示，这种具有层间跃迁行为的2D vdW异质结为非制冷SWIR甚至中/远红外光电探测器的设计提供了一种崭新的思路。

文献链接：Interlayer Transition in a vdW Heterostructure toward Ultrahigh Detectivity Shortwave Infrared Photodetectors（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201905687）

本文由CQR撰写，南方科技大学龚佑品老师校稿。

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