單極勢壘架構(gòu)（如nBn、pBp型）是紅外探測領(lǐng)域的經(jīng)典技術(shù)路線，其核心原理是通過能帶設(shè)計(jì)選擇性阻擋多數(shù)載流子、同時(shí)保障少數(shù)載流子的高效輸運(yùn)，從而在不犧牲光響應(yīng)的前提下大幅抑制暗電流，被廣泛應(yīng)用于III-V族化合物與碲鎘汞等體材料紅外探測器中。然而體材料異質(zhì)結(jié)受晶格失配限制，界面會(huì)引入大量缺陷形成產(chǎn)生-復(fù)合中心，嚴(yán)重劣化器件均勻性與噪聲性能。二維范德華異質(zhì)結(jié)憑借原子級平整的界面、無晶格匹配約束的優(yōu)勢，為構(gòu)建高質(zhì)量單極勢壘提供了理想的材料平臺。二維單極勢壘探測器的性能始終受限于接觸界面的輸運(yùn)瓶頸。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院和中國科學(xué)院大學(xué)杭州高等研究院?的研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于BP/MoS?/WTe?范德華異質(zhì)結(jié)的各向異性單極勢壘光電探測器。研究創(chuàng)新性地將各向異性拓?fù)浒虢饘賅Te?作為接觸層，與BP/MoS?準(zhǔn)單極異質(zhì)結(jié)深度融合，在保留單極勢壘暗電流抑制優(yōu)勢的同時(shí)，破解了傳統(tǒng)金屬接觸帶來的載流子提取瓶頸；更通過晶向?qū)R的光學(xué)增強(qiáng)與勢壘降噪的電學(xué)增強(qiáng)雙重效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了偏振靈敏度的協(xié)同提升。器件在零偏下兼具高響應(yīng)度、高探測率與快速響應(yīng)，1550 nm處偏振比達(dá)7.8，并成功驗(yàn)證了單像素計(jì)算成像與偏振成像功能，為面向計(jì)算視覺的緊湊型紅外偏振探測器提供了全新的設(shè)計(jì)范式。研究成果以“Anisotropic Unipolar Barrier Heterostructures with Semimetal Contacts for Polarization Detection and Computational Imaging”為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。
研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了垂直堆疊的p-BP/n-MoS?/WTe?范德華異質(zhì)結(jié)探測器，三層材料各司其職，形成功能協(xié)同的完整架構(gòu)：黑磷（BP）作為主吸收層，覆蓋可見至紅外波段的寬譜光吸收；MoS?作為單極勢壘層，同時(shí)承擔(dān)可見光吸收與載流子選擇性輸運(yùn)的作用；WTe?作為各向異性半金屬接觸層，利用其拓?fù)浔砻鎽B(tài)抑制金屬誘導(dǎo)隙態(tài)效應(yīng)，緩解傳統(tǒng)金電極的界面輸運(yùn)限制，實(shí)現(xiàn)電子的高效收集。圖1展示了BP/MoS?/WTe?單極勢壘光電探測器的設(shè)計(jì)與表征。
圖1 BP/MoS?/WTe?單極勢壘光電探測器的設(shè)計(jì)與表征
器件的偏振探測特性
這項(xiàng)研究最具創(chuàng)新性的突破在于，實(shí)現(xiàn)了偏振靈敏度的雙重協(xié)同增強(qiáng)，最終偏振比顯著高于單一組分與子結(jié)結(jié)構(gòu)。圖2展示了BP/MoS?/WTe?單極勢壘光電探測器的偏振特性。結(jié)果揭示了雙重增強(qiáng)機(jī)制，晶向?qū)R的光學(xué)增強(qiáng)和勢壘降噪的電學(xué)增強(qiáng)。
圖2 BP/MoS?/WTe?單極勢壘光電探測器的偏振特性
勢壘調(diào)控輸運(yùn)機(jī)制及光響應(yīng)性能
為闡明單極勢壘的微觀輸運(yùn)機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)利用空間分辨光電流映射技術(shù)，可視化了不同偏壓與波長下載流子的空間分布與輸運(yùn)規(guī)律，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。
圖3 BP/MoS?/WTe?單極勢壘光電探測器的光電流分布及工作原理示意圖
研究團(tuán)隊(duì)對該器件的光響應(yīng)性能進(jìn)行了系統(tǒng)測試，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。這一結(jié)果證明，半金屬接觸與單極勢壘的組合，打破了“暗電流抑制必然伴隨載流子提取損失”的傳統(tǒng)權(quán)衡，實(shí)現(xiàn)了暗電流、響應(yīng)度、響應(yīng)速度三者的同步優(yōu)化。
圖4 BP/MoS?/WTe?單極勢壘光電探測器的光響應(yīng)性能
單像素計(jì)算成像與高對比度偏振成像
高靈敏度、低噪聲與偏振敏感的綜合特性，使該器件在計(jì)算視覺領(lǐng)域具備明確的應(yīng)用潛力。研究團(tuán)隊(duì)分別開展了單像素計(jì)算成像與偏振成像驗(yàn)證，相關(guān)結(jié)果如圖5所示。結(jié)果證實(shí)，該探測器可直接用于偏振分辨成像場景，無需額外外置偏振元件，為緊湊型偏振視覺芯片的實(shí)現(xiàn)提供了可行路徑。
圖5 基于單極勢壘光電探測器的計(jì)算成像和偏振成像
https://doi.org/10.1021/acsami.6c07035
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