【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】光電探測(cè)器是多種光學(xué)和光電應(yīng)用的核心器件，近日，中國科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黎大兵研究員、李紹娟研究員與新加坡國立大學(xué)仇成偉教授、電子科技大學(xué)魏靜軒教授合作，報(bào)道了一種創(chuàng)新的方法來同步提升光電探測(cè)器的響應(yīng)度和響應(yīng)速度，為解決探測(cè)器響應(yīng)度和速度相互制衡的領(lǐng)域難題提供了一種新的策略。相關(guān)成果以標(biāo)題為“Photogating-assisted tunneling boosts the responsivity and speedof heterogeneous WSe2/Ta2NiSe5 photodetectors ”發(fā)表在Nature Communications上。
近年來，光子集成電路、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化等新興技術(shù)的高速發(fā)展推動(dòng)著光電探測(cè)器向著高性能、低功耗和多功能的方向變革。以石墨烯為代表的二維材料具有強(qiáng)的光-物質(zhì)相互作用、可調(diào)帶隙以及原子級(jí)銳利異質(zhì)界面等優(yōu)勢(shì)，此外，與現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)線之間具有很好的兼容性，為實(shí)現(xiàn)高性能的光電探測(cè)器件提供了一個(gè)豐富研究平臺(tái)。迄今為止，光柵壓效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)度二維材料光電探測(cè)器的主要工作機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)超高的響應(yīng)度(103-107 A/W)。然而，由于材料內(nèi)部的缺陷態(tài)對(duì)光生載流子的俘獲，導(dǎo)致了長(zhǎng)的載流子壽命，從而犧牲了器件的響應(yīng)速度(通常在毫秒范圍)，極大地限制了器件在成像等方面的實(shí)際應(yīng)用。截至目前，如何克服響應(yīng)度和速度之間的權(quán)衡問題并拓展光電探測(cè)器的功能仍然非常具有挑戰(zhàn)性。
研究團(tuán)隊(duì)從增益的底層物理出發(fā)，從一個(gè)新的角度報(bào)道了一種WSe2/Ta2NiSe5異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器，提出的新的物理機(jī)制—光柵壓輔助隧穿效應(yīng)—可以同時(shí)提高光探測(cè)增益和響應(yīng)速度。一方面載流子隧穿過程可以大大縮短器件的傳輸時(shí)間，顯著提高光電探測(cè)增益，可以實(shí)現(xiàn)較高的響應(yīng)度(103 A/W)。另一方面，通過調(diào)控材料內(nèi)部的陷阱態(tài)，也可以縮短載流子壽命，從而實(shí)現(xiàn)較快的響應(yīng)速度(～1µs)。因此同步的調(diào)控了光生載流子壽命和渡越時(shí)間，改善了器件響應(yīng)度和速度之間的權(quán)衡的問題。
圖1.二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器中的偏置可調(diào)傳輸行為。a，二維材料光電探測(cè)器響應(yīng)度和速度之間權(quán)衡的圖示。b，WSe2/Ta2NiSe5異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件示意圖。c，暗態(tài)下器件的源極-漏極 I-V曲線。d，在白光源照射下，器件在不同源漏偏壓Vds下的轉(zhuǎn)移曲線(Ids-Vgs)。
在器件功能方面，由于Ta2NiSe5材料具有面內(nèi)各向異性的晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其光生載流子的數(shù)量對(duì)入射光的偏振方向敏感，體現(xiàn)出偏振各向異性響應(yīng)。此外，施加的源-漏極偏置可以改變器件在光柵壓過程中光生載流子的散射，導(dǎo)致器件的各向異性光響應(yīng)是偏置可調(diào)和波長(zhǎng)敏感的。進(jìn)一步，在簡(jiǎn)單的雙電極配置條件下，利用器件的光響應(yīng)對(duì)偏壓和波長(zhǎng)的依賴性使我們有望通過掃描偏壓來區(qū)分不同的波長(zhǎng)，在波長(zhǎng)分辨等方面的應(yīng)用具有巨大的發(fā)展前景。
圖2.WSe2/Ta2NiSe5異質(zhì)結(jié)中光柵壓誘導(dǎo)的偏振光響應(yīng)和波長(zhǎng)分辨能力。a-b，不同偏壓Vds 下1310nm照明下的偏振光電流彩色圖。WSe2/Ta2NiSe5光電探測(cè)器的光響應(yīng)可以通過Vds和入射光偏振角θ進(jìn)行調(diào)節(jié)。c，1310nm 照明下的偏振光電流。不同偏壓下的光電流表現(xiàn)出與偏振角θ相同的依賴性。d，從偏振光電流中提取的偏振敏感部分R1 (Vds, l)。 R1取決于偏置電壓Vds和入射光波長(zhǎng)l。e，各向異性比率β，R1/R0，從偏振光電流的偏振不敏感(R0)和敏感(R1)中提取。f，計(jì)算不同波長(zhǎng)之間的相關(guān)矩陣，相關(guān)系數(shù)corr{R1(Vds, l=l1), R1(Vds, l=l2)} ，其中l(wèi)1 和 l2是兩個(gè)不同的波長(zhǎng)。
相關(guān)工作成果解決了響應(yīng)度和速度之間的權(quán)衡，并實(shí)現(xiàn)寬帶可波長(zhǎng)分辨的偏振光電探測(cè)，為探索新穎的偏振成像、高對(duì)比度偏振器、小型光譜儀等片上光電應(yīng)用提供了可能性。
中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所是本研究論文的第一通訊單位，中國科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所黎大兵研究員、李紹娟研究員、新加坡國立大學(xué)仇成偉教授為論文共同通訊作者。中國科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所博士生劉明秀，電子科技大學(xué)魏靜軒教授，中國科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所助理研究員戚劉健，為論文共同第一作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
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