二维材料光电探测器的研究初探

杨 雪，高嵩垚，张 跃，赫明威，姜海祥

(1.吉林化工学院 理学院，吉林 吉林 132022；2.四平市铁西区孟家岭镇中心小学，吉林 四平 136521)

光电探测器的工作过程是通过吸收光信号中的光子能量使光信号转化成电信号的，它反映了光功率或光通量的大小。不断改良的高品质光电探测器涉及日常生活中的方方面面。据摩根定律可知，硅基半导体的发展已经日渐接近瓶颈[1]，发展潜力严重受到其尺寸和性能等因素的限制，因此探索优质二维半导体材料已成为一个亟待解决的问题。

二维材料的高迁移率、高吸光率和CMOS兼容以及高透明、强韧性和低成本等优异物理性质[2]，更加符合人们对新型器件小型化、集成化的发展需求，为进一步改善光电探测器的整体性能提供了新的选择和方向。然而，二维材料的超薄厚度却会限制其对光的吸收能力，从而阻碍了外部量子效率和探测能力的提高；虽然现在许多二维光电探测器显示出较高的光响应率，但这主要是通过牺牲响应速度来延长载体的使用寿命；同时，对于未来的探测器阵列，高增益对材料的均匀性和加工工艺要求非常高，在对其生产和应用方面的难度颇大。为了进一步提高光电探测器的整体性能，研究者们纷纷投入到对二维材料光电探测器的研究中。

1 光电探测器的工作原理

光电探测器的工作原理可简述为物质受外部辐射照射电导率发生改变，其主要内容涉及光电效应中的光电流。光电流的产生机制主要分为两种：一种是光跃迁引起的自由载流子的激发，包括光生伏特效应、光电导效应；另一种是热效应，包括光-热电效应和光-辐射热效应[3]。

(1)光生伏特效应

光生电子-空穴对被半导体与金属接触界面上的p-n结或肖特基结产生的内建电场[4]分隔开并发生定向移动，此为光生伏特效应。

(2)光电导效应

在光电导效应中，光激发过量载流子导致了自由载流子浓度的增加和半导体电阻的降低。多余的载流子被外加的偏置电压隔开，电子向源极流去，空穴向漏极流去，从而形成了光电流。

(3)光-热电效应

光-热电效应是由不均匀的光辐射引起的热效应，此时会因产生的不同温度梯度而产生光电流和光电压。

(4)光-辐射热效应

光-辐射热效应是基于热敏材料的电阻率变化。

2 基于二维材料的光电探测器

基于二维材料的光电探测器的种类繁多，在此仅对石墨烯、过渡金属硫化物、异质结和纳米材料的光电探测器做出分析。

(1)石墨烯光电探测器[5,6]

石墨烯往往被应用在高速、宽光谱光电探测器的制作上。其宽光谱特性可以使石墨烯光电探测器实现从紫外光到太赫兹的转换，这一优点是以往传统光电探测器所无法比拟的，但单层石墨烯的光吸收率仅为2.3%[5]，该材料器件的响应率和增益方面受到了自身能带结构的制约。基于石墨烯材料的光电探测器可大致分为三种：(1)金属-石墨烯-金属(M-G-M)结构的光电探测器；(2)微腔、波导、等离子增强型光电探测器；(3)杂化复合型光电探测器。

(2)过渡金属硫化物光电探测器[2]

二维的过渡金属硫化物单层薄膜为直接带隙材料，其光吸收率和载流子迁移率均大于二维石墨烯材料，所以能够减少在电子跃迁过程中损失在声子中的能量，获得更多的光能。基于该材料的光电探测器通常分为光电导型和光电晶体管型两种结构，如图1所示。应用于光电探测器的二维过渡金属硫化物种类有很多，如：MoS2，WS2，ReS2等。其中，ReS2被视为一种有可能在固态器件制造上取代硅的新型二维材料。不同于绝大多数的过渡金属硫化物材料，需要通过使厚度由多层减薄到单层，间接带隙才能转变为直接带隙，ReS2始终为直接带隙，与层数无关。用机械剥离的方法制备的单层及多层的ReS2材料，用其所制备的器件的开关比高达107。

图1 光电探测器结构图

(3)异质结光电探测器[4]

用二维材料制成的异质结要比传统意义上的异质结构具有更多优势，如：(1)因二维异质结构层与层之间依靠范德瓦尔斯力连接，所以可以完全避免传统异质结易出现晶格失配的现象；(2)二维材料的种类有很多，其带隙分布十分广泛，可以覆盖从紫外到远红外波段的范围，所以用其组合制成的异质结构光电器件的能带结构将会更加丰富。常见的二维异质结构可分为两种，分别为石墨烯与过渡金属硫化物所构成的异质结构和过渡金属硫化物与其他材料构成的异质结构。

(4)新型纳米材料光电探测器[7]

化学式为Bi2Te3的锑化铋是一种具有特殊能带结构与光电特性的拓扑绝缘体材料，带隙宽度约为1.5 eV，其高效的光吸收机制和体态半导体的特征让它在光电探测器方面的应用上表现出很大的潜能。由石墨烯和锑化铋制成的新型异质结集合了二者高载流子迁移率、宽波段光吸收、小光生载流子复合几率[8]等优点，在光电探测上存在明显优势。新型纳米材料常在构建二维异质结光电探测器中被引用，可对光电探测器的性能起到整体性的提升作用。

3 改善光电探测器性能的策略

科技生产的需要迫使研究者们探寻制造更高性能的光电探测器。针对光电探测器现存在的光吸收率低，材料制备不易，结构有缺陷等问题，可以从以下几方面着手制得更高质量的二维光电探测器。

3.1 增大光吸收率

光电探测器工作的第一步就是通过光电材料吸收光子，进而产生电荷-空穴对。因此只要提高光电材料的光吸收能力，就可以从源头上对光电探测器的性能加以改善。为了弥补二维材料在光吸收率方面的缺陷，可以选用离子体天线、光波导和光学共振腔等[9,10]方法加以改善。

3.2 改进材料制备方法

为了改善光电探测器的性能，还可以在材料制备上想办法改进。常见的制备方法有以下三种:

(1)机械剥离法

该方法操作简便，无须昂贵的实验器材，且通过此方法所得材料性能与其块状结构时一致，质量高且晶格结构完整[11]。但同时也存在薄层厚度不均，大小、尺寸不可控，产量低，无法量产的缺点。

(2)液相剥离法

溶剂剥离法：该方法能够大幅度降低剥离所耗费用，但却面临着所制薄膜厚度不一，单层和大面积薄膜的产率低等缺点。

化学剥离法：在混入离子后会无法避免的引入大量杂质，无法制出厚度均匀，尺寸可控的高性能材料[3]，在后续在光电探测器的应用之上会有更多的局限。

(3)化学气相沉积法

化学气相积沉淀方法具有易操作，灵活，可复制且成品厚度、尺寸可控[12]等优点，已成为目前应用最为广泛的制备方式。

3.3 其他改善方案

除上述方案外，还可以采用如形成大的肖特基势垒、设计光电二极管[13,14]和封装等方法从解决二维材料的空位、杂质、污染[15]等方面改善二维光电探测器的性能。

4 结 语

通过对多种光电探测器的分析可知：石墨烯材料的二维光电探测器的光吸收率低，仅适用于对波段宽度和响应速度要求高，而对灵敏度无过多要求的领域；二维过渡金属硫化物薄膜制成的光电探测器在各方面的性能上的表现基本良好，使用不同的过渡金属硫化物材料可以获得不同的光响应、响应速度和适用波段等；二维异质结构的光电探测器继承了多种光电材料的优势，但关于更加优异的材料组合形式仍需继续探索；将新型纳米材料应用于二维异质结构的光电探测器上，可以在不同程度上提高光电探测器的性能，基于纳米材料的应用在未来将表现出良好的态势。基于对工作原理、性能参数、制作材料等影响光电探测器性能因素的考虑，可以从增大光吸收率，改变二维材料的制备，减少结构缺陷等方面对二维材料光电探测器的性能加以改善。