中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
隨著(zhù)自動(dòng)駕駛、機器視覺(jué)和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，光探測器需要具備高靈敏度、快速響應、寬帶紅外響應和偏振探測能力?，F有的光探測器如雪崩光電二極管（APD）、硅光電倍增管（SiPM）和PIN光電二極管難以滿(mǎn)足這些綜合性能要求。二維范德華（vdW）異質(zhì)結構因其可調節的能帶對齊和獨特的物理性質(zhì)而成為下一代光探測器的有前景的候選材料。Bi?O?Se因其高載流子遷移率、適中的帶隙和高光吸收系數而脫穎而出，但其對稱(chēng)結構和高載流子濃度使其在偏振、低檢測限和紅外光響應方面表現不佳。因此，需要合理設計器件以實(shí)現卓越的綜合性能。
近日，南京師范大學(xué)、東南大學(xué)和南京郵電大學(xué)的研究團隊提出了一種基于Bi?O?Se/Ta?NiSe?異質(zhì)結的高性能、偏振敏感且寬帶紅外光探測器。該探測器通過(guò)隧穿效應實(shí)現了高響應度（>103 A W?1）和快速響應時(shí)間（約5 μs）。該異質(zhì)結器件展現出低檢測限（在633納米處約為2 pW，在1550 nm處約為4 nW），比探測率高達3.75×1013 Jones（633 nm）和1.8×101? Jones（1550 nm）。此外，該器件還成功實(shí)現了高分辨率寬帶和偏振光成像。這項研究成果為開(kāi)發(fā)下一代具有全面高性能的光探測器提供了更多機會(huì )。這項研究以“Bi2O2Se/Ta2NiSe5 Tunneling Heterojunction for High-Performance, Polarization-Sensitive, and Broadband Infrared Photodetector”為題發(fā)表在A(yíng)dvanced Electronic Materials期刊上。
Bi?O?Se具有四方結構，而Ta?NiSe?具有層狀單斜結構。Bi?O?Se的少層納米片具有約0.8 eV的間接帶隙，而Ta?NiSe?表現出約0.36 eV的窄直接帶隙。研究人員通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）方法和機械剝離技術(shù)分別獲得Bi?O?Se和Ta?NiSe?納米片。為了構建Bi?O?Se/Ta?NiSe?光探測器，研究人員將Ta?NiSe?納米片轉移堆疊至Bi?O?Se納米片上，并在其非重疊區域沉積Ti/Au（5/150 nm）電極作為源/漏極和背柵電極。圖1a顯示了Bi?O?Se/Ta?NiSe?異質(zhì)結構器件的示意圖，該器件的性能表征如圖1所示。
圖1 Bi?O?Se/Ta?NiSe?異質(zhì)結器件的性能表征和制備
隨后，研究人員進(jìn)一步研究了基于Bi?O?Se/Ta?NiSe?異質(zhì)結的光電探測器的光電特性，相關(guān)結果如圖2所示。研究人員還總結了該基于Bi?O?Se/Ta?NiSe?異質(zhì)結的光電探測器與其他二維異質(zhì)結器件的性能比較。
圖2 基于Bi?O?Se/Ta?NiSe?異質(zhì)結的光電探測器的光電特性
此外，研究人員采用波長(cháng)可調的近紅外（NIR）激光器來(lái)評估基于Bi?O?Se/Ta?NiSe?異質(zhì)結的光電探測器的近紅外探測性能，相關(guān)成像結果如圖3所示。該器件表現出了卓越的響應度、比探測率以及近紅外光譜微弱光的探測能力，以及高質(zhì)量偏振成像。
圖3 基于Bi?O?Se/Ta?NiSe?異質(zhì)結的光電探測器的近紅外探測性能
最后，為了深入研究Bi?O?Se/Ta?NiSe?異質(zhì)結的光響應機制和載流子動(dòng)力學(xué)，研究人員采用理論計算和實(shí)驗表征，相關(guān)結果如圖4所示。
圖4 基于Bi?O?Se/Ta?NiSe?異質(zhì)結的光電探測器的光響應機制
綜上所述，這項研究提出了一種基于Bi?O?Se/Ta?NiSe?異質(zhì)結的高性能光電探測器，通過(guò)隧穿效應實(shí)現了高響應度和快速響應時(shí)間。該器件在可見(jiàn)光和紅外波段展現出卓越的靈敏度和偏振光成像能力，為下一代光探測器的發(fā)展提供了新的方向，滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛和機器視覺(jué)等領(lǐng)域的嚴格需求。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aelm.202500115
