在國家自然科學基金項目（61725505、11734016和61521005）等資助下，中國科學院上海技術物理研究所胡偉達研究員團隊與復旦大學周鵬教授團隊合作，在紅外光電探測器研究方面取得進展。研究成果以“范德瓦爾斯單極勢壘光電探測器（Unipolar barrier photodetectors based on van der Waals heterostructures）”為題，于2021年5月25日在《自然·電子學》（Nature Electronics）上發(fā)表。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00586-w。

  紅外光電探測器廣泛應用于航天航空、氣象觀測、天文和生命科學等重要領域，科學技術壁壘高。長期以來，如何抑制暗電流是制約紅外探測器實現(xiàn)高工作溫度（High Operating Temperature, HOT）的瓶頸。在傳統(tǒng)PN結紅外探測器中，耗盡區(qū)過高的Shockley-Read-Hall（SRH）復合、俄歇復合和表面復合限制了器件的暗電流抑制能力。因此，領域研究人員一直致力于尋求一種超越PN結的新型器件結構。

  圍繞這一難題，胡偉達研究員與周鵬教授合作團隊獨辟蹊徑，利用二維原子層堆疊實現(xiàn)了能帶局域態(tài)有效調控，構建的范德瓦爾斯單極勢壘探測器解決了傳統(tǒng)材料勢壘結構外延生長晶格失配和組分能帶梯度難以控制的難題。他們一方面利用單極勢壘阻擋吸收層中的多數(shù)載流子運動控制器件耗盡區(qū)分布，阻止其向寬帶隙的勢壘層中轉移，有效降低了器件的SRH電流；另一方面，通過降低吸收層載流子濃度有效抑制了俄歇復合。此外，該單級勢壘結構還具有類表面鈍化的隔離作用，從而降低了器件的表面漏電。室溫下（T=300K）的測試結果表明，制備出的范德瓦爾斯nBn單極勢壘探測器暗電流低至15 pA，pBp單極勢壘探測器在中波紅外波段的黑體探測率達到2.3×1010 cmHz1/2W-1（黑體探測率是國際標準化組織指定評價紅外探測性能的“國際標準”指標）（圖1）。

  該研究工作不僅為二維材料紅外探測器HOT暗電流過高的難題提供了解決思路，也為二維材料在紅外領域的實際應用提供了技術方案。

圖1 范德瓦爾斯單極勢壘光電探測器

（a）nBn單極勢壘能帶結構及器件設計示意圖；（b）pBp單極勢壘能帶結構及器件結構示意圖；（c）nBn單極勢壘結構器件的光開關比-暗電流密度對比；（d）pBp單極勢壘結構器件的室溫黑體紅外探測性能對比

來源：國家自然科學基金委員會信息科學部

作者：江天 馬亞強 孫玲