【光电通信】2024,AdvancedScience——同质结MoS₂光电探测器：从可见光到短波红外宽波段探测的新策略

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202408299

亮点：

1.周围同质结结构的设计：通过在n型MoS₂表面进行氮等离子体掺杂，成功建立了p-n同质结，提高了光生载流子的分离效率。

2.宽谱响应的实现：氮掺杂不仅提高了对可见光的探测能力，还使器件对短波红外光产生外部响应，扩展了应用范围。

3.超灵敏的探测性能：研究中获得的高光电响应和特定探测度为新型光电探测器提供了更强的性能指标。

摘要

作为推进光电技术的独特构建块，二维半导体过渡金属二硫化物（TMDs）受到广泛关注。然而，以前报道的大多数MoS₂光电探测器仅响应可见光，吸收能力有限，导致其谱响应窄且灵敏度低。在此，我们设计了一种周围同质结MoS₂光电探测器，该探测器在n型MoS₂表面上进行局部p型氮等离子体掺杂，同时保留高迁移率的底层沟道以实现快速载流子传输。p-n同质结的建立促进了光生载流子的有效分离，从而提升了器件的内在探测性能。所得光电响应为6.94 × 10⁴ A W⁻¹，特定探测度为1.21 × 10¹⁴ Jones（在638 nm时），最佳光开关比约为107（在VGS = -27 V时）。值得注意的是，通过氮掺杂引入MoS₂带隙内的附加能带，使得其对短波红外光产生外部宽谱响应。在1550 nm时，探测器展现出34 A W⁻¹的光电响应和高达5.92 × 10¹⁰ Jones的特定探测度。此外，通过成像和与波导的集成，进一步验证了高性能宽谱响应，为下一代多功能成像系统和高性能光子芯片铺平了道路。

研究背景和主要内容

近年来，石墨烯、过渡金属二硫属化物和黑磷等二维材料由于其独特的结构、优异的光电性能和调控灵活性，在光电子领域引起了广泛关注。陈云峰等人利用能带设计范德华异质结构，构建了可在可见光和中红外波长下工作的单极势垒光电探测器。单极势垒结构通过阻挡大多数载流子，显著抑制了光电探测器中的暗电流。Nikolaus Flöry等人提出一种与平面硅光子波导集成的高性能垂直 MoTe2 -石墨烯范德华异质结构光电探测器，在中等偏压下实现了创纪录的高带宽。尽管如此，这些器件的响应范围仍然受到二维材料本征带隙的限制，严重限制了它们的多功能检测能力。

人们探索了多种方法来修改二维材料的带隙并拓宽其光谱响应范围。其中，人们开发了铁电门控光电探测器，利用极化铁电聚合物产生的超高静电场来改变能带，从而扩展其响应波长。然而，这些扩展波段的光电探测性能仍然不是最理想的，需要进一步增强。此外，通过调节 MoS_x中钼和硫的原子比来调整带隙，可以实现从 445 到 2717 nm 的宽带检测。尽管如此，由于脉冲激光沉积技术引起的缺陷，探测器的载流子迁移率相对较低，捕获态丰富。此外，还报道了由空位引起的非本征响应，因为空位在带隙内引入了额外的能态并扩展了响应波长。尽管有这些创新方法，但这些器件的整体性能仍需要大幅改进。在二维材料中实现高性能外部响应是一项重大挑战，因为高浓度的外部态和高载流子迁移率是相互排斥的，无法同时实现。

在本研究中，我们提出了一种新颖的 MoS₂器件配置，该器件具有环绕同质结和高速底层传输通道。环绕同质结是通过在 n 型 MoS₂表面局部掺杂氮实现的，从而形成一个孤立的 p 型掺杂区域，该区域被原始 n 型 MoS ₂材料半包围。这种配置在水平和垂直方向上都创建了 pn 结，从而增强了光生载流子的有效分离。结果显示，在638 nm光照下，该器件表现出6.94×10⁴  A W ⁻¹的超高光响应度和1.21×10¹⁴ Jones的探测率，在栅极电压为−27 V时光开/关比≈10⁷。此外，密度泛函理论（DFT）计算证实，氮杂质的引入在MoS₂的带隙内形成非本征态，将光谱响应扩展至短波红外（SWIR）波段。借助周围的同质结结构和高速底层通道，掺杂区的光生载流子被有效地分离、传输并最终被电极收集。具体来说，在1550 nm的通信波长下，该器件实现了34 A W−1的光响应度和5.92×1010 Jones的探测率。采用可控掺杂和创新结构设计的策略，可实现对少层二维材料的高灵敏度宽带检测。可见光和短波红外波段的高对比度成像以及与平面波导的集成表明它们在后硅和片上集成光电子学中的应用前景广阔。   

图1 纯和N掺杂单层MoS₂的第一性原理计算。

图2 基于 MoS₂的器件的栅极敏感光电检测。

图 2c显示了 1550 nm 激光照射下的光电流映射，与 638 nm 激光照射下的光电流映射不同。仅在掺杂区域观察到光电流，而在未掺杂区域未检测到明显的光电信号。1550 nm 照射下未掺杂区域的电流与暗电流一致。这一观察结果提供了令人信服的证据，表明红外波段响应源于 N₂等离子体注入。将氮原子掺杂到表面会在 MoS₂材料中引入杂质能带，从而产生外在响应，将 MoS₂的响应范围从可见光谱扩展到 SWIR 波段。这些发现与计算结果非常吻合。

图3 器件的高灵敏度和宽带光响应。

图4 光电成像应用及器件与波导集成。

实验部分

纯净的 n 型 MoS₂ FET 器件

本研究中使用的少层 MoS₂纳米板是通过透明胶带剥离法从块状 MoS₂材料中机械剥离的。然后用光学显微镜找到并定位这些目标 MoS₂纳米板。采用精确的定点转移技术，使用聚二甲基硅氧烷将这些目标纳米板分别转移到高度 p 掺杂的 Si/SiO₂基板和 SiN_x波导上。将这些带有 MoS₂纳米板的基板浸泡在热丙酮中 2 小时，在冷丙酮中浸泡 30 分钟，以消除任何残留粘合剂。随后，进行标准激光直写 (LDW) 工艺以制造漏极、源极和栅极电极图案。利用高真空蒸发系统在10 ⁻⁵ Pa的真空条件下，以0.5 Å s ⁻¹的速率沉积Cr/Au（10/70nm）电极，成功制造出 纯净的n型MoS₂ FET器件。    

N₂等离子体表面掺杂

采用标准LDW工艺在n型MoS₂ FET器件表面局部区域形成掩模图案。处理后的器件在通用等离子清洗机（Pluto M，上海培元仪器设备有限公司）中进行N₂等离子体表面掺杂。在此过程中，将样品放置在真空室中，以50 W运行30 s。N ₂气的流速始终保持在200 mL min ⁻¹。之后，将掺杂后的器件在双温管式炉中在300 K下退火2小时。