2月15日,物理學院引力中心團隊成員王順教授帶領的量子器件課題組以“An Ultrafast WSe2Photodiode Based on a Lateral p‑i‑n Homojunction”為題在美國化學學會旗下納米材料領域的頂級期刊《美國化學學會納米》(ACS Nano)上發表論文,物理學院副研究員張有為、碩士研究生馬衎衎為本文共同第一作者。王順教授與復旦大學仇志軍教授為論文的通訊作者。
過渡金屬硫族化合物(TMDs)由於其較强的光與物質相互作用、可見-近紅外光譜範圍內的可調帶隙以及較高的載流子遷移率而在光電器件的研究中備受關注。在光電器件領域,基於p-n結的光電二極體具有響應速度快、光響應線性度高、雜訊低和功耗低等優點。但受限於高品質p-n結和低接觸電阻的製備,前人報導的TMDs基光電二極體效能尚有很大提升空間。
基於以上分析,王順教授課題組報導的基於橫向p-i-n同質結的多層WSe2光電二極體具有優异的光電效能。這種二極體表現出了理想的整流效能,電流開/關比高達1.2×106,理想因數為1.14。在光伏模式下工作時,該二極體在450 nm光照下表現出出色的光電探測效能,包括340 mV的開路電壓,0.1 A W-1的響應度和2.2×1013Jones的比探測率。此外,得益於橫向p-i-n的器件結構,該二極體可以顯著抑制甚至完全避免一些緩慢的光電響應過程,從而首次將TMDs基光電器件的響應速度提升至百納秒量級(264 ns),對應3 dB頻寬大於1 MHz。基於上面提到的優异特性以及與CMOS相容的工藝,這種WSe2 p-i-n結二極體有希望在自驅動高頻弱訊號光電檢測中實現應用。
圖1.器件製備工藝流程的三維示意圖和器件光學影像。
在器件製備中採用了兩步光刻工藝,在沉積金屬電極之前,採用O2和Ar电浆分別引入p型和n型摻雜,同時在光刻膠的保護下,中間的WSe2溝道保持其本征特性,從而形成了完整的橫向p-i-n同質結。电浆處理後,再採用電子束蒸發沉積金屬電極,最終去膠完成器件製備。
圖2.p型和n型WSe2場效應電晶體的轉移特性曲線。
在對基於WSe2的二極體進行電學表徵之前,首先對表面电浆處理引起的摻雜進行了表徵。由圖2的轉移特性曲線可以看出,p型和n型器件均表現出清晰的單極性輸運特性,這表明电浆處理引起的p型和n型摻雜是成功的,並且在Vds從-100 mV到100mV範圍內的輸出特性曲線顯示出近乎完美的線性,表明兩種摻雜均形成了良好的歐姆接觸。
圖3.WSe2p-i-n結二極體的雙極性轉移特性和整流特性。
對於p-i-n結構,正如預期的那樣,實現了具有均衡n型傳導和p型傳導的雙極性輸運特性,如圖3a所示。在沒有柵極偏置的情况下,該二極體表現出了很强的整流效能,實現了2.2×10-11A(-1.5 V)的微小反向飽和電流以及2.7×10-5A(1.5 V)的高正向電流,整流比高達1.2×106,理想因數n為1.14。
圖4.WSe2p-i-n結二極體的光電特性。
除了上述整流行為外,該橫向p-i-n結二極體展現出了出色的光電效能。在零偏壓下呈現出非零的短路電流(Isc),當最大量測光强3.3 mW•cm-2時,Isc可達到0.57μA。同時,Isc與功率密度P呈明顯的線性關係而開路電壓(Voc)與P呈非線性關係,表明器件的光電響應主要來源於光伏效應。此外,由於該二極體光電流與光强呈線性關係,以至於響應度幾乎保持恒定。零偏壓下的空間分辨光電流影像(SPCM)顯示光電流源於整個WSe2溝道,證實了本征WSe2區域被完全耗盡,光響應區域覆蓋了整個WSe2溝道,從而提供了光生載流子的良好收集效率和相應的强光伏效應。
圖5.WSe2p-i-n結二極體超快光響應特性以及基於TMDs的光電探測器的性能對比。
對於基於TMDs的光電探測器,回應時間一般為10-5s至102s,很少有報導重複光開關特性具有數百納秒級的回應時間。而此二極體光電響應的上升和下降時間τr和τf分別短至264 ns和552 ns,量測得出3 dB頻寬f-3dB=1.9 MHz。這主要益於器件的p-i-n結構使得器件結電容極其小同時由於摻雜區被金屬電極覆蓋不參與光吸收過程,囙此能够避免較慢的光生載流子擴散過程,以及由於摻雜劑或摻雜過程引入的缺陷態而導致的光生載流子的俘獲/去俘獲,使得光生載流子在結區電場下的漂移過程成為限制器件頻寬的唯一主要因素。正因為具有上述優點,該多層WSe2p-i-n光電二極體首次將TMDs基光電器件頻寬提升數個數量級級至MHz以上。
以上研究工作得到國家自然科學基金的資助。
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https://doi.org/10.1021/acsnano.0c08075