研究背景
由于在传感、探测、数据传输和数据处理等领域的广泛应用，光电探测器引起了学术界与工业界的广泛关注。即将到来的5G物联网(5G-IoT)，将大规模连接底层感知层，并以其超低延迟、超可靠的通信层传输海量传感数据。在这一全新的应用场景下，金属-半导体-金属(MSM)光电探测器以其响应速度快、制作工艺简单以及与场效应晶体管(FET)技术可集成等特点而备受关注。然而，传统的制造工艺会在金属-半导体界面上引入化学无序和缺陷态，导致显著的暗电流和噪声。此外，金属电极的使用将反射入射光，从而降低器件的响应度。为了解决这些问题，人们提出了许多方法，如：使用宽禁带半导体来增加肖特基势垒的高度，或降低金属-半导体界面处，半导体侧的态密度，以此降低暗电流密度；使用透明电极材料降低入射光的反射等。但上述方法均存在缺陷，整体上不能带来较好的效果。
成果介绍
近日，针对上述问题，电子科技大学巫江教授领衔的光电传感与探测团队使用MXene代替传统金属，研发了一种基于MXene-GaN-MXene结构的InGaN/GaN多量子阱(MQW)光电探测器。与传统的MSM探测器相比，该基于MXene-GaN范德华结的新型多量子阱光电探测器能显著提升器件响应率，降低暗电流与噪声。其在蓝绿光波段的优异性能，使其在水下无线光通信与水下探测等领域，有着优异的应用前景。同时，得益于其良好的MXene-GaN界面，观察到了用于生长InGaN/GaN多量子阱的图形化衬底对光子提取局域增强的细微差异。
MXene是2011年发现的一种新型二维(2D)材料，具有金属导电性、机械灵活性、亲水性、良好的透光性和化学稳定性等良好性质，这使MXene能够在普通环境条件，以溶液形式进行加工。此外，其可调的功函数，可使MXene与各种半导体材料形成所需的欧姆或肖特基接触。更重要的是，二维材料由平面内共价键合的原子组成，它们在平面外方向上相互作用较弱。在块体半导体材料上沉积时，界面处形成的MXene -半导体范德华结没有化学无序，缺陷态较少，可以避免费米能级钉扎效应，降低反向隧穿电流。
图1 (a) Ti3C2Tx MXene的合成和结构示意图；(b) 图形化蓝宝石衬底上制备的光电探测器示意图
电子科技大学光电传感与探测实验室提出的基于MXene-GaN-MXene结构的InGaN/GaN多量子阱(MQW)光电探测器生长在图形化的蓝宝石衬底上。该衬底可促进外延横向生长(ELOG)模式，从而降低GaN薄膜缺陷密度，并采用MXene替代传统的Au/Cr金属。由于其低缺陷的MXene-GaN范德华界面，与传统的MSM探测器相比，该基于MXene-GaN范德华结的新型多量子阱光电探测器的响应率提升了一个数量级，探测率提升了四个数量级，而暗电流降低了三个数量级。其在蓝绿光波段的优异性能，使其在水下无线光通信与水下探测等领域，有着优异的应用前景。
更有趣的是，由于高质量的MXene-GaN 范德华结可以抑制暗电流和噪声，该探测器具有以纳安的电流分辨率区分微小的空间变化的光电流的能力。得益于此，研究人员观察到了图形化蓝宝石衬底对于光子的局域化聚焦和吸收增强作用。
这项工作通过结合2D MXene材料和传统III-V族材料的优点，展示了范德华金属-半导体结在高性能光电检测方面的巨大潜力。
本文第一作者为电子科技大学硕士研究生罗凌志，通讯作者为电子科技大学巫江教授。
https://doi.org/10.1038/s41377-021-00619-1
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