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青年科学评述 基于过渡金属硫族化合物同质结的光电探测器

已有 184 次阅读 2021-9-15 21:37 |系统分类:论文交流

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文章信息

基于过渡金属硫族化合物同质结的光电探测器

Photodetectors based on homojunctions of transition metal dichalcogenides

舒衍涛,张有为,王顺

物理学报. 2021, 70 (17): 177301

doi: 10.7498/aps.70.20210859

原文链接    PDF


文章导读

光电探测器的功能是将光信号转换为电信号,在如今的信息化社会中发挥着重要的作用,被广泛应用于视频成像、光通信、生物医学成像、安全、军事化应用等领域。应用领域的规模和多样性不断增长对光电探测器在速度、效率、波长范围以及柔性、透明性和CMOS可集成性等方面提出了更高的要求,这就使得研发新型光电探测器的需求变得越来越迫切。


近年来,二维材料的快速发展为新型光电探测器的研究提供了新的机遇。其中, 过渡金属硫族化合物(TMDCs) 是一类典型的层状二维材料, 具有带隙随层数连续可调、较强的光与物质相互作用等诸多优异的电学和光学特性,是研究新型高性能光电探测器最有潜力的候选材料之一。光电探测器主要有电阻型、场效应晶体管型与二极管型三种基本器件结构。相比于报道较多的场效应晶体管型以及异质结二极管型光电探测器, 同质结二极管型光电探测器可以兼顾响应度与响应速度,在光电探测方面具有独特优势。


本文首先介绍了同质结器件在零偏压和反向偏置状态下工作时的光电转换物理机制,并指出光电导增益和响应速度对光生载流子寿命具有相反的依赖关系。然后综述了几种常见的载流子调控方式,以及利用这些方法所制备的TMDCs 同质结光探测器的性能。所涉及的调控方法包括电场调控、表面电荷转移、元素替位掺杂、缺陷工程、厚度调制,并且对各种方法的优缺点进行了简要的评析。


此外,针对目前报道的器件大多存在响应速度慢的问题,本文从同质结器件中光生载流子的输运机制入手,探究了限制器件响应速度的因素,并经过分析计算指出光生载流子在未耗尽区域的扩散过程是是限制器件响应速度的主要因素,进而提出了一种优化的p-i-n器件结构。在该p-i-n结构中掺杂被限定在金属接触区域,从而有效抑制了光生载流子的扩散,使得器件响应速度和带宽得到较大提高。


本文综述了基于过渡金属硫族化合物同质结的光电探测器的研究现状,对诸多优秀的研究成果进行了系统的介绍和评析,并指出了一些亟待解决的问题。期望在不远的未来TMDCs 同质结光电探测器会有更多突破性进展。


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图1  TMDCs 的p 型和n 型表面电荷转移掺杂过程的能级示意图


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图2  (a) 横向p-n 结与(b) 横向p-i-n 结的器件结构与对应的光生载流子输运过程


作者简介


张有为

华中科技大学物理学院副研究员,博士生导师

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2008年本科毕业于厦门大学材料科学与工程专业;2016年博士毕业于复旦大学微电子与固态电子学专业;毕业后赴瑞典乌普萨拉大学从事博士后研究;2018 年至今任华中科技大学物理学院副研究员,博士生导师;目前主要从事基于低维材料体系的新型纳米电子器件研究,包括器件工艺,电学特性,光电探测等方面。在国际顶尖期刊ACS Nano, Small, Advanced Optical Materials, Nano Research, Nanophotonics, Scientific Reports, Organic Electronics, IEEE Electron Device Letters, Journal of Physical Chemistry C 等发表文章20 余篇,其中包括物理学科ESI 高被引论文1 篇。相关器件设计与工艺方面的研究成果已申请并授权国内发明专利12 项。主持国家、省、市级科研项目 4 项。

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