研究背景

　　最近，提出了具有单极性势垒结构的光电探测器，如nBn（n型吸收体，势垒层和n型接触层）和pBp（p型吸收体，势垒层和p型接触层）异质结，可以作为一种抑制暗电流并使红外光电探测器能够在高温下工作的方法。在设计势垒层（阻挡暗电流，但允许光电流不受阻碍地流动）时，必须严格考虑能带排列和晶格匹配。单极性势垒光电探测器以前在使用III-V和HgCdTe材料的红外光电探测器中显示出先进的功能。但是，对于常规块材的外延生长，势垒中晶格失配和界面缺陷是不可避免的，这阻碍了高性能单极性势垒光电探测器的发展。二维（2D）层状材料可用于构造范德华（vdW）异质结单极性势垒光电探测器，而不会出现晶格失配问题。2D层状材料具有自然钝化的表面，可以避免产生漏电流，并且由于不存在表面悬键，因此可以合理地堆垛不同的2D材料以形成vdW异质结。此外，不同2D材料的层可调能带结构非常适合于工程化新型光电探测器。但是，大多数2D光电探测器都以光电导或光伏模式工作。在光电导结构中，光电探测器对光学增益具有高响应率，但是受到大暗电流或慢响应速度的困扰。尽管结的形成将有效地抑制暗电流，但是耗尽区限制了光电流。在光伏光电探测器中，由于难以调控2D材料的掺杂，因此可用的材料受到限制。单极性势垒光电探测器不受掺杂技术的限制。

　　成果介绍

　　有鉴于此，近日，中科院上海技物所胡伟达研究员和复旦大学周鹏教授（共同通讯作者）等合作证明了能带工程化的范德华异质结可用于构建可见光和中波长红外单极性势垒光电探测器。基于WS2/h-BN/PdSe2异质结的nBn单极性势垒光电探测器具有15 pA的低暗电流，20 μA的光电流以及2。7×1012 cm Hz1/2 W-1的探测率。基于BP/MoS2/石墨烯异质结的pBp单极性势垒光电探测器，在黑体辐射下的中波长红外区域具有2。3×1010 cm Hz1/2 W-1的室温探测率。pBp器件在黑体辐射下也显示出4。9的二向色比，在2 μm激光照射下的响应时间为23 μs。文章以“Unipolar barrier photodetectors based on van der Waals heterostructures”为题发表在顶级期刊Nature Electronics上。

　　图文导读

　　图1。 单极性势垒光电探测器的能带图和暗电流机制。（a）具有大导带势垒的nBn单极性势垒结构的能带图，其中光致空穴穿过价带，而接触层中的电子受到势垒层的阻碍。（b）具有大价带势垒的pBp单极性势垒结构的能带图，其中光致电子穿过导带，而空穴受到势垒层的阻碍。（c）在nBn单极性势垒光电探测器的情况下，暗电流分量。（d）pn和单极性势垒器件暗电流的Arrhenius图。

　　单极性势垒光电探测器包含nBn和pBp结构。在nBn中，电子阻挡势垒在导带中形成高电势势垒，并且两个n型层的价带偏移均为零，如图1a所示。插图显示了平衡条件下nBn的能带结构。在反向偏置条件下，n型吸收体中的光生电子被阳极引出，而另一个n型接触层中的多数载流子（电子）被导带中的高势垒所阻挡。同时，光生空穴沿价带不受阻碍地流动，然后被阴极收集。同样，将势垒层插入两种p型材料之间时，在价带中具有高电势势垒并且导带偏移为零，形成pBp单极性势垒结构（图1b）。为了进一步说明单极性势垒异质结中暗电流的阻挡机理，在nBn结构的情况下，显示了暗电流的空间组成和分量（图1c）。已经证明，单极性势垒可以滤除几种暗电流分量，例如表面漏电流、多数载流子暗电流和重新注入的光电流，同时允许光电流、俄歇电流和扩散电流通过。由于光电流不会被单极性势垒所抑制，因此这对于高性能光电探测器特别是在红外波段中是有利的。图1d显示了单极性势垒器件和pn结暗电流的Arrhenius图。在高温下，它们两者都在扩散极限下工作，并且扩散电流是暗电流的主要来源。在交叉温度Tc以下（扩散电流等于生成-复合（G-R）电流），pn结将受到与耗尽区SRH陷阱有关的G-R电流的严重影响。但是，在理想的单极性势垒器件中，由于没有耗尽区，因此G-R电流没有任何影响。因此，单极性势垒可以通过引入大带隙势垒层来有效抑制不希望的G-R电流。因此，在相同的暗电流下，单极性势垒光电探测器可以比pn结在更高的温度下工作。

　　图2。 nBn vdW单极性势垒光电探测器在室温下的光电特性。（a）WS2/h-BN/PdSe2 nBn vdW单极性势垒光电探测器的示意图。（b）在不同源-漏偏置（Vds）条件下，器件模拟的能带图。（c）nBn vdW单极性势垒器件电流的Arrhenius图，表现出较高的工作温度特性。（d）nBn单极性势垒光电探测器的暗电流分量。（e）nBn vdW单极性势垒器件在520 nm激光照射下的输出特性曲线随功率增加的变化。（f）在520 nm激光照射下，器件在Vds=-0。5 V下的响应时间。

　　首先，展示了具有WS2/h-BN/PdSe2异质结的nBn vdW单极性势垒光电探测器（图2a）。WS2和PdSe2场效应晶体管的电学特性在零栅极电压下表现出典型的n型行为。h-BN的大带隙导致WS2和PdSe2具有较高的导带势垒和较小的价带偏移。在反向偏置下，WS2薄片充当可见光的吸收体。WS2薄片中的光致空穴通过很小的价带偏移（ΔEv）流向阴极，而光致电子则被阳极迅速提取。但是，PdSe2层中的电子被高电子势垒所阻挡。为了进一步阐明能带结构工程，在0 V和-0。5 V漏极偏置下进行了仿真分析（图2b）。从仿真结果可以看出，能带排列在导带中具有明显的电子阻挡势垒。

　　图2c显示了nBn和p-n结结构中暗电流与温度的Arrhenius图。在低于255 K的温度下，单极性势垒器件的暗电流保持不变，这表明单极性势垒器件适合在高温下工作。为了比较nBn和结器件之间的差异，在不同温度下测量了WS2/PdSe2结。结果表明，nBn vdW单极性势垒结构比p-n结器件具有更低的暗电流。WS2/h-BN/PdSe2 nBn vdW单极性势垒光电探测器的暗电流分量如图2d所示。黑色实线代表实验数据，虚线代表总的暗电流分量，扩散（Diff。），陷阱辅助隧穿（TAT）和带间隧穿（BBT）电流。获得一个理想因子（反映Diff。和G-R电流之间的比例）n=1。2，这意味着G-R电流在nBn vdW单极性势垒器件的暗电流中起很小的作用。这表明暗电流主要来自扩散电流，并且通过特殊设计的势垒结构有效地抑制了G-R和隧穿电流。图2e给出了在不同功率520 nm激光器下nBn器件的输出特性曲线。值得注意的是，在没有外部栅极偏置的情况下，在-1 V偏置下可获得近20 μA的光电流，因为暗电流被大电子势垒所阻挡，而光电流却未被抑制。在520 nm处实现了超过106的光开/关比，以及室温D*为2。7×1012 cm Hz1/2 W-1，比先前报道的WS2基结器件要高得多。此外，在-0。5 V时获得了优化的快速下降时间~26 μs（图2f）。

　　图3。 室温下pBp vdW单极性势垒MWIR光电探测器的光电特性。（a）黑体辐射下BP/MoS2/石墨烯pBp vdW单极性势垒MWIR光电探测器的示意图。（b）在反向偏置条件下，pBp vdW单极性势垒器件对应的能带图。（c）在不同黑体温度下，D*与器件偏置电压的关系。（d）D*与波长的关系。（e）归一化的光响应与调制频率的关系。（f）光电流与偏振角的关系。（g）在室温下工作的红外单像素成像。

　　进一步研究了基于BP/MoS2/石墨烯异质结的pBp vdW单极性势垒MWIR光电探测器，用于黑体探测。在此，BP薄片由于其独特的直接窄带隙（0。3 eV），高迁移率和偏振特性而被用作p型吸收体，而对于单极性势垒结构，最重要的结构优化是势垒组成。在接触层和吸收体之间选择的阻挡层是n型MoS2薄片。在常规的单极性势垒器件中，尤其是在HgCdTe材料中，势垒层将被有效地掺杂以减少带隙偏移。但是，n型MoS2势垒层可能会引入耗尽区，导致SRH电流。高掺杂和高迁移率的石墨烯接触层可以增强电荷收集，还可以与Cr/Au电极形成良好的欧姆接触，从而降低电子转移过程中的势垒。图3a显示了黑体辐射下BP/MoS2/石墨烯pBp vdW单极性势垒MWIR光电探测器的示意图。为了验证转移过程后界面的高质量，对BP/MoS2/石墨烯异质结进行了横截面TEM测量。TEM图像显示天然的vdW异质结，具有原子级锐利的界面，并且没有任何晶格失配。此外，在BP和MoS2之间没有氧化层（可能会降低电子势垒并降低收集效率）。BP，MoS2和石墨烯场效应晶体管的转移特性曲线分别反映了零栅极电压下的典型p型，n型和p型行为。

　　图3b给出了反向偏置条件下BP/MoS2/石墨烯pBp vdW单极性势垒结构的能带图。在黑体的照射下，BP中的光致空穴被阴极迅速提取出。同时，石墨烯中的空穴会受到大价带势垒（MoS2）的阻碍。同时，在电场下，少数载流子（电子）的收集不受阳极的阻碍。从场分布可以看出，电场由于高的势垒电阻而主要分布在势垒层中。在反向偏置电压下，电场主要施加在BP与MoS2界面之间的耗尽区中。此外，耗尽区几乎位于宽带隙MoS2层中，这可能会减少SRH效应的影响。在相同条件下，pBp vdW单极性势垒光电探测器比BP/MoS2结具有更低的暗电流和更高的光电流。

　　器件的截止波长约为3。8 μm，有望用于MWIR光探测。为了进一步证明单极性势垒光电探测器的性能，随后在室温下研究了黑体照射下的光电性能。光电探测器的噪声主要由1/f噪声，散粒噪声和热噪声引起，其中1/f噪声仅在低频存在（可以忽略）。通常，散粒噪声和热噪声都会造成暗电流。但是，当施加的偏置较小时，由于暗电流非常低，因此将热噪声视为主要噪声源。随着偏置电压增加，暗电流变大，散粒噪声起着更重要的作用，然后成为主要的噪声源。图3c总结了在不同黑体温度下获得的D*与偏置的关系。图3d显示了在不同黑体温度下，pBp vdW单极性势垒光电探测器的室温D*与波长的关系。最重要的是，在MWIR区域，室温峰值D*超过2。3×1010 cm Hz1/2 W-1。

　　在此，采用两种方法提取响应时间（图3e）。在插图中显示了使用带有调制2 μm激光的商用示波器测得的时间分辨光响应。光电探测器的上升时间（τrising）和下降时间（τfalling）分别约为28 μs和23 μs。此外，在3。8 kHz处获得了-3 dB的截止频率，这是通过调制入射黑体源测得的。使用等式τrising=0。35/f（-3 dB）估算出τrising为92 μs。两种方法之间的微小差异可能是由入射光源引起的。此外，该器件在非偏振的1，173K黑体照射下显示出很强的偏振光响应（图3f）。带通为1-2。7 μm时，二向色比为4。9，有望用于制备集成的MWIR偏振光电探测器。为了进一步验证器件的良好性能，在室温下进行了红外单像素成像（图3g）。pBp vdW单极性势垒光电探测器在2 μm激光照射下实现了2。5×1010 cm Hz1/2 W-1的出色D*。

　　图4。 vdW单极性势垒光电探测器与以前的光电探测器在室温下的性能比较。（a）2D材料光电探测器在室温下的暗电流密度和Ion/Ioff比的比较。（b）室温下BP/MoS2/石墨烯pBp vdW单极性势垒MWIR光电探测器与其他红外光电探测器的黑体探测率比较。

　　为了进一步验证vdW单极性势垒异质结的性能增强，将势垒器件与其他结构进行了比较。图4a给出了室温下暗电流密度和光Ion/Ioff比的比较。与基于2D材料的光电导和光伏模式相比，nBn vdW单极性势垒光电探测器具有超低的暗电流密度和超高的光Ion/Ioff比。与传统的块材和2D材料相比，图4b显示了pBp vdW单极性势垒MWIR光电探测器的室温黑体D*与波长的关系。势垒光电探测器的黑体D*可与商业最先进的光电探测器相媲美，并且在MWIR范围高于2D材料基光电探测器。此外，nBn和pBp光电探测器在室温下均显示出数十微秒的响应时间，比大多数2D材料光电探测器要快。具有特殊设计能带结构的vdW单极性势垒光电探测器在红外传感，偏振探测和双波段光电探测方面具有良好的应用前景。

　　总结与展望

　　本文报道了基于2D vdW异质结的室温nBn和pBp单极性势垒光电探测器。器件的单极性势垒异质结能够在不抑制光电流的情况下阻挡暗电流，从而实现高探测率。nBn WS2/h-BN/PdSe2可见光探测器表现出15 pA的暗电流和20 μA的大光电流。在520 nm激光照射下，光开/关比为106，室温D*为2。7×1012 cm Hz1/2 W-1。pBp BP/MoS2/石墨烯MWIR光电探测器在黑体辐射下具有2。3×1010 cm Hz1/2 W-1的峰值室温D*，并且由于BP层对黑体源的偏振具有自然敏感性，二向色比超过4。9。本文开发的具有特殊设计能带结构的vdW单极性势垒光电探测器在红外传感，偏振探测和双波段光电探测方面具有良好的应用前景。

　　文献信息

　　Unipolar barrier photodetectors based on van der Waals heterostructures

　　（Nat。 Electron。， 2021， DOI：10。1038/s41928-021-00586-w）

　　文献链接：https：//www。nature。com/articles/s41928-021-00586-w