上海技物所等在新型能动量匹配范德华异质结红外探测器研究中获进展

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近日，中国科学院上海技术物理研究所胡伟达、苗金水团队与北京大学彭海琳团队合作，在Science Advances期刊上发表了题为“Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection”的最新论文，该论文中提出将动量匹配和能带匹配（能动量匹配）的范德华异质结应用于红外探测以提高二维材料红外探测器的量子效率（QE），为研制高量子效率红外探测器提供了新方法。

图1 BP/Bi2O2Se范德华红外探测器结构和BP/Bi2O2Se界面示意图

具有高量子效率的红外光电探测器可应用于超微弱光检测和量子通信。然而，量子效率在很大程度上受到红外吸收体的吸收率和缺陷复合以及光生载流子收集的限制，这严重阻碍了高量子效率红外光电探测器的制造和进一步研发。因此，研究人员总是优先选择具有高光电转换效率的直接带隙半导体。然而，昂贵的生长工艺、低温的工作条件和有毒元素等技术缺陷仍然限制了传统材料不断扩大的应用空间。此外，在基于传统块体材料的异质结构中，如何同时满足晶格匹配和能带匹配的要求仍然是一个挑战。

二维层状材料为红外探测技术提供了新的机遇，因为它们具有自然钝化的表面，可以堆叠成范德华（vdW）异质结构，而无需进一步考虑晶格匹配。然而，由于其原子级薄层特性，限制了它们在高量子效率红外探测器的应用。为此，研究人员提出了一些研究策略，包括利用光波导、光谐振器和表面等离子体激元等，以增强二维光电探测器的量子效率，但以牺牲器件的集成度和窄光谱响应为代价。

动量匹配范德华异质结构可以支持在k空间中直接的层间跃迁，而无需考虑直接或间接带隙半导体，其中一个半导体的价带最大值（VBM）和另一个半导体的导带最小值（CBM）集中在布里渊区的k空间。胡伟达研究员说：“因此，动量匹配的范德华异质结构不仅可以提高光载流子的生成率，而且还可能拓宽光谱响应的范围。”

它还可以通过低晶格错配散射和无缺陷杂质减少界面复合。重要的是，在红外光探测中，合理的波段排列对优化光载流子的产生、抑制复合和改善光载流子的收集，实现高量子效率具有重要意义。研究人员期望的是没有电子和空穴势垒的II型能带匹配结构。

在本论文研究中，作者们创新性地将新型能动量匹配范德华异质结应用于红外探测器技术。研究显示，二维半导体黑磷（BP）的价带顶和硒氧化铋（Bi2O2Se）的导带底位于布里渊区的Γ点（图2a），光生载流子在界面处能直接跃迁到BP和Bi2O2Se的导带，提高了光生载流子的跃迁几率和产生率。BP和Bi2O2Se形成了完美的Ⅱ类能带结构（图2b），进而提高了光生载流子的收集效率。本研究制备的能动量匹配BP/Bi2O2Se异质结红外探测器实现了与传统材料红外探测器相比拟的量子效率，在1.3μm时量子效率达到84%，在2μm时量子效率达到76.5%（图2c）。此外，该BP/Bi2O2Se异质结红外探测器实现了较高的偏振特性，在短波红外波段偏振比达到17（图2d）。

图2 动量匹配与能带匹配的范德华红外探测器

（a）动量匹配的BP/Bi2O2Se异质结能谷结构示意图；（b）能带匹配的BP/Bi2O2Se异质结能带结构示意图；（c）能动量匹配的BP/Bi2O2Se异质结红外探测器的量子效率；（d）能动量匹配的BP/Bi2O2Se异质结红外探测器的偏振特性。

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院、上海市自然科学基金的支持。

论文信息：

https://doi.org/10.1126/sciadv.abq1781