二维半导体光电探测器的发展、机遇和挑战

张言蹊

（湖北第二师范学院 湖北 武汉 430205）

1 引言

在20世纪二维半导体是否存在成为一个备受争议的话题，直至2004年，二维半导体材料制备成功后才开启了科研人员对二维半导体材料的集中研究，这主要是基于二维半导体特殊的结构和物理性质[2]。随着二维半导体材料更多功能的发现，如今二维半导体光电探测器开始被应用于人们的日常生活中。

2 二维半导体光电探测器类型

2.1 过渡金属硫族化合物

过渡金属硫化物的种类比较多，但当前对二维半导体光电探测器的研究主要集中在二硫化钼，这主要是由于二硫化钼在具有良好的光电效应的同时还具有稳定的化学结构以及良好的机械性，这使二硫化钼材料在电子器件的生产和制造方面有着较为广阔的前景。同时二硒化钨材料在光电探测器方面也具有一定的应用潜力，但由于二硒化钨对于环境的要求比较高，在不同的环境下其光电流效应表现差异非常大，例如：在真空环境下二硒化钨的响应率只有几十A/W，而在氨气环境中却能够达到 884 A/W[3]。

2.2 黑磷

黑磷也是近年来备受关注的一类二维半导体光电探测器材料，当前黑磷材料制备技术可以剥离出单层黑磷和多层黑磷，多层黑磷是一种双极性半导体，具有较高的迁移率，不仅如此，黑磷的电学性能、光学性能等有明显的各向异性。少层黑磷在成像方面具有重要的应用，少层黑磷能够接受红外光信号，并将其进行转化和成像。黑磷具有良好的特性，在二维半导体探测器方面的应用具有较大的潜力，但当前黑磷结构不稳定制约了其发展和应用前景，黑磷在空气中容易吸水并与氧气发生反应，在黑磷表面生成新的化学物质，而新化学物质的生成会极大地影响黑磷在各方面的性能，因此在今后的黑磷研究过程中，需要注重对于黑磷钝化或者包裹方面的研究，使得黑磷在发挥良好性能的同时，不容易与其他物质发生反应，延长黑磷使用的时长。

2.3 其他二维半导体材料

随着对二维半导体材料的深入研究，很多其他材料也开始被发现，并被纳入二维半导体材料的研究范畴，如第三主族金属硫化物，第四主族金属硫化物等，这些材料经过相关实验数据证实在二维半导体的应用方面也具有较大的潜力。

尽管当前的二维半导体材料种类比较丰富，但各种二维半导体材料都具有其优势，同时也具有缺陷，例如：黑磷虽然具有良好的光电效应性能，但是黑磷本身却并不稳定，很难在实际中得到应用。除此之外，在当前的研究过程中，对于选用何种材料应用到探测器的制造中非常关键。

3 改进二维半导体光电探测器性能措施

3.1 等离子体天线

等离子金属纳米天线结构增强光吸收通常有以下两种方式：首先是金属纳米结构局域表面等离子体引起金属传导电子共振，极大地增强了局域电磁场，提高了半导体对光的吸收；其次是金属纳米天线充当亚波长散射单元，并且能够耦合和捕获入射光的平面波等。除了增强光吸收之外，等离子体光学天线纳米结构中共振激发的表面等离子体的衰退能产生热电子，并将热电子注入半导体材料中，从而提高光电探测器性能。

3.2 光波导

光波导也是一种有效提高光吸收的手段。光波导引导光在介质中传播，介质可以吸收波导边界处的消逝场，并产生电荷-空穴对，从而提高光电流.异质结光波导光电探测器便是利用光波导手段进行设计的，整个器件设计到硅绝缘层表面，通过将石墨烯集成到硅光波导表面，并在两端设计了一些悬空的模板波导用来避免氧化物对中红外光的吸收，有效提升了材料的光电效应。

3.3 光学共振腔

光学共振腔中提高入射光的强度，由于光的反射和相干，腔体中的电场会大大加强，这种方法在光通信领域有很好的应用前景，然而这种光学共振腔往往只能在很窄的带宽下增大光强。除此之外二维半导体材料由于自身的元素空位、杂质和表面污染等影响，往往存在较多的缺陷态，这些缺陷态将载流子捕获，降低了电子-空穴的复合速率。因此，二维半导体材料响应速度往往较慢，通常在毫秒量级，难以满足如高速成像和远程通信等对响应速度要求较高的领域方面的应用，设计光电二极管可能是最常用的提高响应速度的方案，由于界面处内建电场的存在，减少了载流子的传输时间，提高了响应速度。

4 二维半导体光电探测器研究展望

随着科研人员对于二维半导体的深入研究，越来越多有潜力成为良好的二维半导体探测器制作的材料被挖掘出来，使探测器的制作材料有了更多的选择，然而当前二维半导体材料最大的问题是目前没有找到一种二维半导体材料及制作方式，能够使得材料在不同的环境下都能够保持稳定的化学结构和良好的电热性能，因此在今后的二维半导体研究中，相关科研人员需要从以下方面着手：首先科研人员需要不断继续寻找新的具有良好性能的二维半导体，其次需要研究增强二维半导体材料各方面性能的制备技术，使得当前已发现的二维半导体材料能够克服缺陷，获得更为广阔的发展和应用空间；最后需要采用采用一些光学手段，如等离子技术、光波导、光学谐振腔等提高二维半导体材料对光的吸收。