研究人员创建基于二维层状材料的单极势垒光电探测器

高暗电流会显着削弱红外光电探测器的性能，红外光电探测器可以探测红外辐射形式的光子。多年来，大多数阻挡暗电流的解决方案都使用检测器内部的电场。

科学院的研究人员最近设计了一种替代解决方案来抑制光电探测器中的暗电流，该解决方案基于使用范德华 (vdW) 异质结构。在Nature Electronics发表的一篇论文中，他们展示了由波段工程 vdW 异质结构制成的可见光和中波长红外单极势垒光电探测器。

“自从贝尔实验室在 1935 年生产出硅基 PN 结以来，利用耗尽区的内置电场已成为阻断暗电流的主要技术路线，”两位研究人员胡伟达和周鹏说。这项研究通过电子邮件告诉 Tech Xplore。“在传统的 PN 结红外光电探测器中，耗尽区的高肖克利-读霍尔 (SRH) 复合和表面复合严重限制了暗电流的抑制。针对这些问题，工程师们引入了一种超越 PN 结的新器件结构，即单极势垒结构。”

Hu、Zhou 及其同事撰写的论文背后的关键思想是 vdW 单极势垒异质结构可用于抑制光电探测器内部的暗电流。事实上，通过阻挡多数载流子，这些结构最终可以让红外光电探测器在高温下工作，实现卓越的性能。

“所提出的新型 vdW 单极势垒异质结构可以解决红外光电探测器中暗电流的瓶颈，并进一步提高红外光电探测器的性能，”胡和周说。“最终，它们因此可以促进红外应用中二维 (2D) 材料的‘实验室到制造’过渡。”

最近，越来越多的研究人员开始设计和使用具有单极势垒结构(通常是 nBn 和 pBp 异质结构)的光电探测器来抑制暗电流并使其能够在高温下运行。这些阻挡层可以阻挡暗电流，但它们允许光电流自由流动。

单极 vdW 异质结构的能带图和性能。a，nBn单极势垒光电探测器的能带图和器件结构。b，pBp 单极势垒光电探测器的能带图和器件结构。c, 暗电流密度与 Ion/Ioff 比的比较。d，红外黑体探测率比较。信用：陈等人。

“在nBn的情况下，导带势垒可以有效地阻止电子从接触层到吸收层的运动，并使表面电流大大衰减，”胡和周解释说。“同时，耗尽区的分布靠近宽带隙势垒层，从而降低了SRH电流。此外，随着吸收层中载流子浓度的降低，决定了热的俄歇复合可以有效抑制噪音。”

在设计光电探测器内部的势垒层时，工程师应考虑能带对齐和晶格匹配等特性。因此，具有 vdW 单极势垒的光电探测器可以由二维 (2D) 材料制成，从而避免与自然自钝化表面相关的晶格失配和界面缺陷。方便的是，2D 材料还具有层可调能带结构，可以科学地设计和堆叠以创建 nBn 或 pBp 能带对齐。

“单极势垒可以通过引入大带隙势垒层来有效抑制暗电流，”胡和周说。“因此，与具有相同暗电流的pn 结相比，单极势垒光电探测器可以在更高的温度下运行，或者在相同的温度下具有更高的性能。”

Hu、Zhou 和他们的同事率先实现了基于二维层状材料的 wdW 单极势垒光电探测器。此外，他们对单极势垒结构中的暗电流成分进行了系统分析。

未来，这组研究人员创造的光电探测器可用于增强多种传感和成像设备。此外，他们的工作可以激励其他团队使用 2D 分层材料创建类似的光电探测器。

“提出的新型 vdW 单极势垒异质结构为二维材料在遥感和红外成像等红外应用领域的‘实验室到制造’过渡取得了关键技术突破，”胡和周说。“基于之前的研究，新颖的结构优化、可扩展的红外焦平面阵列(FPA)以及双波段检测和偏振红外成像等功能应用是我们的后续目标。”

标签： 二维层状材料