超灵敏宽谱MoS₂短波红外光电探测器

MEMS

2周前

通过氮等离子体注入成功制备了高质量的周围同质结MoS₂器件，该器件在可见光和短波红外波段均展现出优异的光电性能。

如石墨烯、过渡金属硫族化合物和黑磷等二维材料凭借其独特的结构、卓越的光电特性和调控的灵活性，在光电子领域备受关注。然而，多数MoS₂光电探测器仅对可见光有响应、吸收有限，导致存在光谱响应范围狭窄和灵敏度低等问题。现有拓宽二维材料光谱响应方法存在性能不佳或难以同时实现高浓度外态和高载流子迁移率等挑战。

据麦姆斯咨询报道，近期，由中国科学院大学、中国科学院大学杭州高等研究院和中国科学院上海技术物理研究所组成的科研团队提出了一种超灵敏且宽光谱的MoS₂光电探测器。该探测器通过在n型MoS₂表面进行局部p型氮等离子体掺杂，同时保留高迁移率的底层带隙，以实现高效的光生载流子分离和传输。该探测器在可见光和短波红外波段均展现出优异的性能。相关研究成果以“An Ultrasensitive and Broad-Spectrum MoS2Photodetector with Extrinsic Response Using Surrounding Homojunction”为题，发表在Advanced Science期刊。

研究人员采用机械剥离法制备MoS₂纳米片，通过氮等离子体表面掺杂技术在n型MoS₂表面进行局部掺杂，形成p型区域，构建周围同质结结构。并运用密度泛函理论（DFT）计算，以更深入地了解氮掺入晶格的影响，相关结果如图1所示。DFT计算表明，氮掺杂使MoS₂的带隙略有减小，在价带顶部形成两个额外能带，费米能级位于两个能带之间，呈现p型掺杂效应，且杂质能带的形成使响应波长扩展到短波红外波段。研究人员还使用原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）和紫外-可见光谱等技术对材料的厚度、化学价态和光电性能进行了表征。

图1 原始和氮掺杂单层MoS₂的第一性原理计算

研究人员通过将氮掺杂应用于天然n型MoS₂带隙来设计p-n同质结器件。MoS₂器件设计包括被原始n型区域半封闭的掺杂p型区域，该器件的光电探测性能如图2和图3所示。p-n同质结的建立促进了光生载流子的有效分离，从而提高了器件的本征探测性能。在638 nm光照下，该器件的光响应度为6.94×10⁴ A W⁻¹，特异性探测度为1.21×10¹⁴ Jones，光开关比达到约10⁷。此外，通过氮掺杂在MoS₂带隙中引入额外的带，实现了对短波红外的外在宽带响应。在1550 nm处，器件展现了34 A W⁻¹的光响应度和高达5.92×10¹⁰ Jones的特异性探测度。

图2 MoS₂器件的门控敏感光电探测

图3 MoS₂器件的高灵敏度和宽带光响应

最后，研究人员进行了光学成像实验，以评估光电探测器在各种成像应用中的性能，如图4所示。图4a展示了该成像系统的构成，包括激光器、准直器、掩模、斩波器和光电探测器。光学成像实验表明，该探测器在可见光和短波红外波段均能实现高分辨率成像，对简单和复杂物体均能准确成像。将探测器集成到氮化硅平面波导上，成功实现了波导响应，并可通过栅极电压控制，为下一代光子芯片的应用提供了潜力。