近日，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達(dá)、苗金水團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)彭海琳團(tuán)隊(duì)合作，在Science Advances期刊上發(fā)表了題為“Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection”的最新論文，該論文中提出將動量匹配和能帶匹配（能動量匹配）的范德華異質(zhì)結(jié)應(yīng)用于紅外探測以提高二維材料紅外探測器的量子效率（QE），為研制高量子效率紅外探測器提供了新方法。
圖1 BP/Bi2O2Se范德華紅外探測器結(jié)構(gòu)和BP/Bi2O2Se界面示意圖
具有高量子效率的紅外光電探測器可應(yīng)用于超微弱光檢測和量子通信。然而，量子效率在很大程度上受到紅外吸收體的吸收率和缺陷復(fù)合以及光生載流子收集的限制，這嚴(yán)重阻礙了高量子效率紅外光電探測器的制造和進(jìn)一步研發(fā)。因此，研究人員總是優(yōu)先選擇具有高光電轉(zhuǎn)換效率的直接帶隙半導(dǎo)體。然而，昂貴的生長工藝、低溫的工作條件和有毒元素等技術(shù)缺陷仍然限制了傳統(tǒng)材料不斷擴(kuò)大的應(yīng)用空間。此外，在基于傳統(tǒng)塊體材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，如何同時(shí)滿足晶格匹配和能帶匹配的要求仍然是一個挑戰(zhàn)。
二維層狀材料為紅外探測技術(shù)提供了新的機(jī)遇，因?yàn)樗鼈兙哂凶匀烩g化的表面，可以堆疊成范德華（vdW）異質(zhì)結(jié)構(gòu)，而無需進(jìn)一步考慮晶格匹配。然而，由于其原子級薄層特性，限制了它們在高量子效率紅外探測器的應(yīng)用。為此，研究人員提出了一些研究策略，包括利用光波導(dǎo)、光諧振器和表面等離子體激元等，以增強(qiáng)二維光電探測器的量子效率，但以犧牲器件的集成度和窄光譜響應(yīng)為代價(jià)。
動量匹配范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以支持在k空間中直接的層間躍遷，而無需考慮直接或間接帶隙半導(dǎo)體，其中一個半導(dǎo)體的價(jià)帶最大值（VBM）和另一個半導(dǎo)體的導(dǎo)帶最小值（CBM）集中在布里淵區(qū)的k空間。胡偉達(dá)研究員說：“因此，動量匹配的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅可以提高光載流子的生成率，而且還可能拓寬光譜響應(yīng)的范圍。”
它還可以通過低晶格錯配散射和無缺陷雜質(zhì)減少界面復(fù)合。重要的是，在紅外光探測中，合理的波段排列對優(yōu)化光載流子的產(chǎn)生、抑制復(fù)合和改善光載流子的收集，實(shí)現(xiàn)高量子效率具有重要意義。研究人員期望的是沒有電子和空穴勢壘的II型能帶匹配結(jié)構(gòu)。
在本論文研究中，作者們創(chuàng)新性地將新型能動量匹配范德華異質(zhì)結(jié)應(yīng)用于紅外探測器技術(shù)。研究顯示，二維半導(dǎo)體黑磷（BP）的價(jià)帶頂和硒氧化鉍（Bi2O2Se）的導(dǎo)帶底位于布里淵區(qū)的Γ點(diǎn)（圖2a），光生載流子在界面處能直接躍遷到BP和Bi2O2Se的導(dǎo)帶，提高了光生載流子的躍遷幾率和產(chǎn)生率。BP和Bi2O2Se形成了完美的Ⅱ類能帶結(jié)構(gòu)（圖2b），進(jìn)而提高了光生載流子的收集效率。本研究制備的能動量匹配BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)材料紅外探測器相比擬的量子效率，在1.3μm時(shí)量子效率達(dá)到84%，在2μm時(shí)量子效率達(dá)到76.5%（圖2c）。此外，該BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器實(shí)現(xiàn)了較高的偏振特性，在短波紅外波段偏振比達(dá)到17（圖2d）。
圖2 動量匹配與能帶匹配的范德華紅外探測器
（a）動量匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)能谷結(jié)構(gòu)示意圖；（b）能帶匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)示意圖；（c）能動量匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器的量子效率；（d）能動量匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器的偏振特性。
研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院、上海市自然科學(xué)基金的支持。
論文信息：
https://doi.org/10.1126/sciadv.abq1781
