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多色探测技术由于能获取多波段的信息从而提高复杂环境下的分辨能力而受到了极大的关注,在遥感、矿产勘查、生物医学、救援等领域得到了广泛的应用。其中,双色探测技术一直是国内外研究的重点。在过去的几十年间,通过引入量子点、超晶格等新材料已经在此方面实现了巨大的进步。二维材料优秀的光电性质也使得它也成为具有潜力的双色探测的候选者之一。王鹏等[25]通过利用分子外延技术(MBE)采用逐层外延的生长方式,在n型GaSb衬底上直接沉积了晶片尺寸的多层GaSe,形成垂直异质结结构,实现二维材料双波段探测的阵列结构,如图6(a)所示。为了更好地理解垂直异质结的形成,王等人利用第一性原理在GaSb衬底上生长二维材料GaSe进行模型仿真,并模拟氢原子进行钝化,通过最小化Hellmann-Feynman力使GaSb和GaSe表面松弛。通过计算表明GaSe和GaSb衬底的电子重合程度可忽略不计,这与测得的GaSe-GaSb之间微弱的相互作用力对应。此外,Raman光谱表示在异质结中存在两种材料的特征峰,表明二维材料异质结通过范德华力相结合。
Figure 6. (a) GaSe/GaSb vertical heterojunction area array; (b) Spectral-resolved light response spectrum; (c) Heterojunction dual-band image
该工作利用8 μW超连续白光作为激发光源进行了光谱分布光电流扫描测试,得到了异质结光电探测器响应光谱范围和响应率分布,结果如图6(b)所示。由于GaSb和GaSe都具备高效率吸收的特点,因此在两者共同的吸收区内是光电流的叠加。而在红外区域,由于光子能量小于GaSe带隙,光电流全部由GaSb产生。接着,为了更好地展现GaSe-GaSb在实际应用中的优越性,研究还利用掩膜版设计了间距为0.5 mm的周期间距的线列探测器,通过调整阵列中每个单元的信号放大倍数,尽可能的保证每个单元器件的光敏元响应趋于一致。然后用此异质结器件代替相机的CCD,通过一维推扫的方式实现对辐射目标U形管的成像。最后,该工作进一步证明了此异质结构的双色探测的应用潜力,如图6(c)所示。通过分束镜(透射∶反射=1∶1)将光束分路,利用红外带通滤波片和可见光带通滤波片(两个滤光片光谱隔断点在780 nm),实现了可见光(左侧)和红外光(右侧)成像。图6(c)可以明显的观察到加热的U型目标的成像,显示了GaSe-GaSb双波段探测的潜力。
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偏振包含了物体方位、粗糙程度等关键信息,偏振红外成像系统对于天文学、生物诊断、国家安全和工业应用的发展具有重要意义。部分二维材料因其各向异性明显,已经展露出了在偏振光成像领域良好的潜力。叶镭等[26]利用二维晶体碲烯(Te)构造光导性红外探测器,实现了室温中红外偏振成像。Te烯是一种各向异性窄带隙半导体,在可见光到中红外(0.5~3.0 μm)都有着较强的光-物质相互作用。叶等人利用液相法制备了厚度为27 nm的二维材料Te烯及其晶体管。在3.0 μm波长红外光的辐照下,器件响应率为3.54×102 A·W−1,比探测率为3.01×109 Jones,展现了优异的中波红外探测性能,这得益于Te烯的室温高迁移率和短沟道长度。此外,位于Te烯晶体内部的缺陷也可以通过带尾光生载流子的浅态来贡献光电导增益。研究还发现在不同栅压下,用不同光功率的光照射,器件在5.9 eV的中性点栅压下均可实现最大净光电流,表明了器件的光响应不是由于photogating效应而引起的。进一步,该工作对器件在不同偏振方向入射光下的光电流进行了表征,发现即使是光电流最弱的偏振方向(0°和180°),器件依然有着明显的光电流。在520 nm和1.55 μm光照下,各向异性比可达到2.55和2.39,并且在2.3 μm的光照下,获得了7.58的各向异性比,表示此器件拥有在不借助偏振片的情况下实现偏振成像应用的潜力。最后,叶等人进一步研究了Te烯红外探测器单元器件的二维扫描成像及其偏振成像。如图7(a)所示,照射到光电探测器上的信号近似于线偏振光,通过旋转光电探测器可以收集不同方向的偏振光电流以计算DoLP值。
Figure 7. (a) Schematic diagram of imaging target; (b) Comparison of DoLP imaging results of unpolarized 2H-MoTe2 device and Te photodetector under the light of 1.55 μm wavelenth; (c) The imaging results of Te photodetector under the light of 2.3 μm wavelength
式中:
$ {I}_{\theta }(x,y) $ 是指在θ角度检测到的极化强度。对于传统焦平面分光计结构,需要至少四个像素单元来获得DoLP的值。意味着一幅m×n的偏振图像,需要一个2m×2n的面阵器件。而对于Te烯光电探测器,单像素就足以检测一个DoLP的数据,即仅仅m×n的面阵器件就可以获取m×n的DoLP偏振图像。在实际应用中,可以通过更少的像素单元来实现传统焦平面分光计结构同样的分辨率,从而更容易实现更高分辨率的成像。为了显示Te烯偏振光电探测器的优势,将其与无偏振能力的2H相MoTe2的偏振成像进行对比,结果如图7(b)所示,Te烯偏振光电探测器在计算DoLP后显示出了更好的对比度。而在2.3 μm波长,1 mW的光照射下,成像结果如图7(c)所示,展现了Te烯二维半导体在中波红外的偏振探测能力。最后,部分新型二维半导体材料红外探测器领域所取得的前沿进展如表1所示。
Materials Wavelength/nm R/A·W−1 D* /Jones QE Time(Rise/down) Bias/V Other Ref. MoS2/PVDF 500-1550 $ 2570 $ $ {\rm{2}}{\rm{.2}} \times {10}^{12} $ $ 1.8 \;{\rm{ms}}/2.0\;{\rm{ms}} $ $ 0.1 $ [17] ZnO/PVDF $ 375$ $ 3.8 \times {10^5}$ $ {\rm{4}}{\rm{.4 \times }}{10^{15}}{\rm{}}$ $ 280{\rm{}}\;{\rm{ms}}/440\;{\rm{ms}}$ $ 1$ [18] b-AsP 2400-8050 $ 0.18$ 6.1% $ 0.54\;{\rm{ms}}/{\rm{}}0.52\;{\rm{ms}}$ 0 [19] b-AsP/MoS2 $ 0.2161$ $ {\rm{9}}{\rm{.2 \times }}{10^9}$ 11.36% 0 [19] WSe2 500-1000 $ 0.08$ 20% $ 200\;{\rm{{\text{μ}} s}}/{\rm{}}16\;{\rm{{\text{μ}} s}}$ 0 [21] AsP/MoS2 $ 520$ 71% $ 9\;{\rm{{\text{μ}} s/5}}\;{\rm{{\text{μ}} s}}$ 0 [23] MoS2 300-800 24% (Absorption) [24] GaSe/GaSb 400-1 800 $ 0.115$ $ {\rm{2}}{\rm{.2 \times }}{10^{12}}$ 50% $ 32\;{\rm{{\text{μ}} s/24}}\;{\rm{{\text{μ}} s}}$ 0 Dual-band detection [25] Te 520-3000 354 $ {\rm{3}}{\rm{.01 \times }}{10^9}$ $48.7\;{\rm{ {\text{μ} } s/62.7} }\;{\rm{ {\text{μ} } s} } $ Polarization imaging [26] WSe2(CVD) 500-900 3.5×105 1×1014 23 ms 2 [27] WSe2/SnS2 400-900 244 1.29×1013 13 ms/24 ms −1 [28] MoS2/b-p 532-1550 22.3 3.1×1011 15 μs/70 μs 3 [29] MoS2/Graphene/WSe2 400-2400 1×104 1×1015 53.6 μs/30.3 μs 1 [30] Table 1. Summary of performance of two-dimensional material infrared detectors
Research progress of two-dimensional semiconductor infrared photodetector (Invited)
doi: 10.3788/IRLA20211017
- Received Date: 2020-11-09
- Rev Recd Date: 2020-12-07
- Available Online: 2021-01-22
- Publish Date: 2021-01-22
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Key words:
- two-dimensional materials /
- infrared photodetector /
- local electric field /
- SWaP3
Abstract: Infrared detection plays an important role in cutting-edge fields such as biomedicine, smart cities, and space exploration. In recent years, a new type of nanoscale semiconductor represented by two-dimensional materials is one of the candidates for a new generation of infrared photodetection technology. This is due to the fact that some index of two-dimensional materials device have exceeded the theoretical limits of traditional thin-film devices, such as detection sensitivity, ultralow dark current, high working temperature, etc. Two dimensional materials can easily be controlled by local field. In this review, the mechanism of three local fields to achieve high performance at room temperature were introduced in the first part, including ferroelectric local field, the interlayer built-in electric field, and the in-plane built-in electric field. Secondly, we introduced the photoelectric enhancement methods of unilateral depletion heterojunction and surface plasmon structure to solve the problem of low quantum efficiency and low light absorption caused by atomic thin effect of two-dimensional materials. Finally, we showed some applications of two-dimensional materials in infrared photodetection field. The exploration reveals the potential and prospect of the novel two-dimensional semiconductor in the field of infrared photodetection, which provides some new methods and ideas for the new generation infrared detector technology.