近日，中国科学院上海技术物理研究所的研究团队构建了一类低维半导体和二氧化钒的异质结，该异质结将光伏效应(Photovoltaic Effect)和辐射热效应(Bolometric Effect)相结合，可以实现多种功能模式的光电探测。相关研究成果以“A Versatile Photodetector Assisted by Photovoltaic and Bolometric Effects”为题发表在《Light: Science & Applications》。
图片来源：Light: Science & Applications
撰稿 | 蒋 伟
导读
光电探测器是一类有效探测光辐射的传感器，在国民经济和国防军事领域有着广泛的应用。根据能量转化过程的不同，光电探测器可以分为光子型探测器和热探测器。其中光子型探测器是将光信号直接转化为电信号，包括光伏型，光导型，量子阱等；而光热探测器则是通过光辐射热改变材料的电学特性，使热信号转化为电信号，比如热电堆，测辐射热计，热释电探测器等。
然而，由于光子型探测器对光的波长具有选择性，热探测器的灵敏度受到限制，单一功能的探测器已难以同时满足宽光谱，高灵敏等方面的需求。
近日，中国科学院上海技术物理研究所的研究团队在Light: Science & Application发表最新研究成果。该研究团队构建了一类低维半导体和二氧化钒的异质结，该异质结将光伏效应(Photovoltaic Effect)和辐射热效应(Bolometric Effect)相结合，可以实现多种功能模式的光电探测。比如可以实现快速响应的p-n结探测器，实现超宽波段的测辐射热计，还可以满足在高温环境工作的肖特基结探测器。
研究背景
近年来，光电探测器发展迅速，从单元、多元、线列、扫描型焦平面发展到凝视型焦平面阵列。新一代探测器的提出，对大面阵，高分辨，宽光谱等方面提出了新需求。然而，基于单一机理的探测器件已难以满足新一代光电探测要求，是否有可能构建一种探测器，通过引入新材料并综合多种探测机制，使其既能实现快速的响应，还能拓展探测谱段和功能？
基于此，红外物理国家重点实验室的研究人员从光电探测的机理出发，构建一类多功能的原型光电探测器件。首先，p-n结型探测器可实现快速响应，故采用其作为器件结构。其次，VO2作为典型的热探测材料，对响应波长没有选择性，且其在常温下为半导体，可以与其他半导体构成异质结。同时，二维半导体材料由于表面无悬挂键，便于构建异质结构。在众多二维半导体材料中，二碲化钼（MoTe2）相对稳定且带隙较窄，因此选用其作为另一半的异质结材料。此外，VO2独特的相变特性使其可与半导体材料在高温下形成肖特基结，这对探测器又是一个功能拓展。至此，基于MoTe2和VO2异质结的多功能探测器应运而生(图1)。
图1 器件设计思路与探测机理示意图
创新研究
作者首先制备了VO2薄膜，然后将适当厚度的MoTe2转移到VO2上，从而构建了垂直结构的MoTe2/VO2异质结（如图2），将光伏效应和测辐射热效应相结合，实现了多种功能模式的光电探测。室温下，VO2表现出为p型半导体行为，40纳米的MoTe2为n型半导体，MoTe2/VO2异质结为典型的p-n结。当光照时，p-n结的空间电荷区产生电子空穴对，并被内建电场分离，从而产生光电流，在p-n结工作模式下，此类器件可实现对450 nm至2 μm谱段的光响应。
通常，p-n结型探测器的工作电压在零偏压或者反向偏压区域，本工作中，探测器可在正偏压下，以测辐射热计的形式工作。在正向偏压的加持下，异质结可等效于热敏电阻元件，当红外辐照时，VO2被加热，其自身电阻温变效应使其电阻快速下降，从而引起电流增加。图3给出了该器件的电阻-温度变化曲线。该器件的电阻随温度变化明显，故可以用于中波红外（MWIR）和长波红外(LWIR)的有效探测。基于该思路和器件原型的验证，可以与现有氧化钒探测器工艺结合，提高测辐射热计型探测器性能，并拓宽其应用。
应用与展望
该研究成果以" A Versatile Photodetector Assisted by Photovoltaic and Bolometric Effects" 为题在线发表在Light: Science & Applications。
本文第一作者为中国科学院上海技术物理研究所博士生蒋伟，通讯作者为上海技术物理研究所王建禄研究员、胡伟达研究员以及东华大学的徐晓峰教授。相关研究获得国家自然科学基金，中国科学院前沿重点项目及国家重点研发计划的资助。
https://doi.org/10.1038/s41377-020-00396-3
本文来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除）。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
