傳統pn結光電器件受限于外延晶格匹配、吸收深度與載流子輸運距離的固有矛盾：厚有源層利于光吸收但拉長載流子輸運路徑，縮短輸運距離又會造成光吸收不足，難以同步實現高量子效率與超快響應；同時III-V、硅基器件制備成本高、與柔性工藝兼容性差。二維過渡金屬硫族化合物（TMDs）憑借范德華無外延生長、帶隙可調、強光耦合優勢，成為新一代光電探測核心材料，但常規橫向異質結載流子輸運距離達微米量級，垂直石墨烯電極器件仍受限于超薄厚度導致光吸收偏低，制約器件光電轉換效率。
據麥姆斯咨詢報道，近日，東南大學的研究團隊創新提出底部金鏡面電極集成WSe?/MoS?垂直范德華異質結光電二極管。金電極兼具光學反射鏡與底部歐姆接觸雙重功能，一方面通過光子循環反射提升有源層光吸收效率，另一方面構筑納米尺度垂直載流子輸運通道，從器件結構上破解吸收-輸運權衡難題。該器件依托II型能帶排布實現可見光至1550 nm近紅外超寬譜自驅動探測，零偏下外量子效率84.3%、光電轉換效率11.2%、探測率1.6×1011 Jones，響應速度低至200 ns量級，綜合性能優于絕大多數已報道二維基探測器件，為低功耗片上光電器件提供全新設計思路。相關研究成果以“Mirror-Integrated Vertical Van der Waals Photodiode for High-Efficiency, High-Speed, and Broadband Photodetection”為題發表在Advanced Optical Materials期刊上。
器件構型架構設計
該器件整體采用SiO?/Si襯底+50 nm金鏡面底層+垂直堆疊WSe?/MoS?范德華異質結+頂金電極分層架構。其中底層金薄膜是核心創新：50 nm厚度經FDTD仿真優化，既能全波段反射透射光子實現腔內光子循環、成倍提升異質結光吸收，又作為底部導電接觸，形成自上而下的垂直載流子收集通路。異質結選用8 nm厚WSe?與10 nm厚MoS?，WSe?呈現弱p型特征、MoS?為本征n型，天然形成II型能帶排列，界面自發分離光生載流；頂層薄金電極完成歐姆引出，全器件有源區無摻雜工藝，規避摻雜不均帶來的性能劣化。圖1展示了金屬鏡增強型垂直WSe?/MoS?范德瓦爾斯異質結的器件構型與性能表征。
能帶表征與光生載流子輸運機制
為闡明WSe?/MoS?范德瓦爾斯光電探測器的能帶排布與界面載流子輸運特性，研究人員制備了基于MoS?與WSe?的場效應晶體管，以此確定兩種材料的導電類型。圖2展示了WSe?/MoS?異質結的能帶排布表征。兩種材料堆疊后電子自發從WSe?向MoS?擴散，界面形成空間電荷區，構筑典型II型交錯能帶；接觸后價帶頂、導帶底錯位排布，是異質結可實現自驅動光伏效應的核心能帶基礎。
可見光波段光伏響應與探測性能
研究人員對垂直WSe?/MoS?范德瓦爾斯光電二極管在可見光下的光電性能進行表征分析，重點探究其作為光伏探測器的工作性能，相關結果如圖3所示。
圖3 可見光照射下垂直WSe?/MoS?范德瓦爾斯光電二極管的光伏響應
寬帶紅外探測與高速光響應
寬帶光電探測器可在單個像素內實現多光譜探測與系統集成，從而為智能光電系統提供關鍵的光譜探測能力。因此，研究人員進一步表征了該器件在可見光至近紅外波段的光伏響應特性，相關結果如圖4所示。
為全面評估本器件性能，研究人員將其與已有文獻報道的基于二維過渡金屬硫族化合物的光電導體及光電器件進行了性能對標測試，相關結果如圖所示。
https://doi.org/10.1002/adom.71308
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