中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
二硒化鉑（PtSe?）作為過(guò)渡金屬二硫族化合物（TMDs）的成員具有高的載流子遷移率和0-1.2 eV的層間可調(diào)帶隙，其憑借獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)特性，在短波紅外（SWIR）光探測(cè)方面展現(xiàn)出巨大的潛力。二維PtSe?薄膜通常與輕摻雜襯底結(jié)合形成pn異質(zhì)結(jié)，然而在低溫下小管式爐內(nèi)合成的薄膜晶體質(zhì)量較差（多晶態(tài)），且基于pn結(jié)構(gòu)器件的響應(yīng)速度因弱的界面電場(chǎng)、長(zhǎng)的載流子渡越時(shí)間和嚴(yán)重的缺陷復(fù)合而難以進(jìn)一步的提升。已報(bào)道的pn PtSe? 二維（2D）/三維（3D）異質(zhì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間和帶寬通常分別只有~10-100 μs和~10-80 kHz，這極大地限制了其商業(yè)價(jià)值。
閩南師范大學(xué)柯少穎教授與中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王振研究員、云南大學(xué)王茺研究員的合作團(tuán)隊(duì)采用熱輔助轉(zhuǎn)換法（TAC）在大管徑石英管式爐內(nèi)（內(nèi)徑9 cm）成功合成高質(zhì)量結(jié)晶取向單一的PtSe?薄膜，并首次制備出了基于PtSe?/n?-Si/n?-Si PIN結(jié)構(gòu)的寬帶高速紅外探測(cè)器。相關(guān)研究成果以“High-Speed Broadband PtSe2/Si 2D-3D Pin Photodetector with a Lightly n-Doped Si Interlayer Based on Single-Oriented PtSe2”為題，發(fā)表在ACS Photonics期刊上。
研究人員采用TAC獲得PtSe?薄膜，其中Pt薄膜的硒化是在距離反應(yīng)室底部的特定高度完成行的。圖1展示了在不同硒化高度合成的未完全硒化PtSe?薄膜的拉曼光譜。通過(guò)調(diào)控樣品的放置高度、硒化溫度以及載氣流量，最終在上溫區(qū)為350 ℃，下溫區(qū)為560 ℃，氬氣流量為100 sccm，放置高度為16.5 mm的條件下獲得了高質(zhì)量的PtSe?薄膜。在大管徑石英腔體內(nèi)熱場(chǎng)和氣場(chǎng)的共同控制下，被載氣輸運(yùn)至下溫區(qū)的Se蒸氣濃度較低，有利于硒化過(guò)程緩慢進(jìn)行，并伴隨結(jié)晶過(guò)程中成核量的降低，最終合成具有單一取向的PtSe?薄膜。另外，圖1中還顯示了PtSe?薄膜的透射電子顯微鏡（TEM），表現(xiàn)出首先在Pt薄膜上形成硒化物成核點(diǎn)，然后PtSe?從成核點(diǎn)向外生長(zhǎng)。
圖1 高質(zhì)量單一取向PtSe?薄膜的表征
為了確認(rèn)PtSe?的摻雜類型，研究人員將PtSe?轉(zhuǎn)移到SiO?/Si襯底上，制造了通道長(zhǎng)度100 nm、寬度500 nm的簡(jiǎn)單場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）。FET的輸出曲線和傳輸曲線顯示了PtSe?的弱p型（如圖2b和圖2c）。圖2a為PtSe?/n?-Si/n?-Si PIN光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)，其中n?-Si層用作光吸收層，光生載流子在電場(chǎng)下漂移并形成電流。圖2d為異質(zhì)結(jié)的能帶圖。同時(shí)圖2表明該器件具有出色的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。隨后研究人員對(duì)PtSe?/n?-Si/n?-Si PIN光電探測(cè)器的光電性能進(jìn)行了測(cè)試，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。PtSe?/Si異質(zhì)結(jié)在1100 nm以上波段的光吸收明顯提升，同時(shí)由于暗電流低，該器件表現(xiàn)出良好的短波紅外光探測(cè)能力。
圖2 PtSe?/n?-Si/n?-Si PIN器件結(jié)構(gòu)及性能表征
圖3 PtSe?/n?-Si/n?-Si PIN器件光電性能測(cè)試
相比之下，PtSe?/n?-Si pn光電探測(cè)器是通過(guò)將PtSe?薄膜直接轉(zhuǎn)移到n?-Si襯底來(lái)制備。圖4a繪制了pn和PIN器件的暗電流，具有兩種結(jié)構(gòu)的器件都表現(xiàn)出～10?的高整流比。研究人員還對(duì)兩種器件做了深入對(duì)比，相關(guān)對(duì)比結(jié)果如圖4所示，可以看出，具有PIN結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器在紅外探測(cè)方面的能力更佳。
圖4 PIN與pn器件光電性能對(duì)比
最后，研究人員進(jìn)一步研究了PtSe?/n?-Si/n?-Si PIN光電探測(cè)器的紅外成像能力。圖5a顯示了成像測(cè)量示意圖，圖5b至圖5e分別顯示了在1310 nm、1550 nm、1850 nm和2200 nm照明下器件的光電流映射圖像，證明了PIN器件的短波紅外探測(cè)能力。
圖5 PIN光電探測(cè)器紅外成像結(jié)果
綜上所述，這項(xiàng)研究通過(guò)TAC方法在大直徑腔體中制備單取向PtSe?薄膜，并首次制備出了基于PtSe?/n?-Si/n?-Si PIN結(jié)構(gòu)的高速寬帶紅外光電探測(cè)器。與傳統(tǒng)的基于2D/3D pn異質(zhì)結(jié)的光電探測(cè)器相比，基于PIN結(jié)構(gòu)的器件具有更快的響應(yīng)速度和更顯著的紅外探測(cè)能力。由于引入了高質(zhì)量的PtSe?薄膜，該P(yáng)IN器件可達(dá)～125 kHz的3 dB頻率、2.2/11.8 μs的零偏置響應(yīng)速度，該器件高整流比～10?。在532 nm光照、?2 V偏置下，該器件還表現(xiàn)出出色的光電特性，最大響應(yīng)度為53.9 mA W?1，特異性探測(cè)率為1.35 × 1011 Jones。此外，由于PtSe?的短波紅外強(qiáng)吸收，在1310 nm、1550 nm、1850 nm和2200 nm波長(zhǎng)處表現(xiàn)出明顯的光響應(yīng)，表明該器件在紅外圖像傳感領(lǐng)域的潛力。更重要的是，這項(xiàng)工作中的PIN結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是將特定材料作為吸收層集成到PtSe?/Si異質(zhì)結(jié)中，為構(gòu)建基于2D/3D異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高性能光電探測(cè)器和推動(dòng)與硅基微電子技術(shù)兼容的下一代超快寬帶光電傳感器的開發(fā)提供了指導(dǎo)。
