封面图，来源：哈尔滨工业大学 宋波
背景介绍
近期基于侧向光伏效应(lateral photovoltaic effect, LPE)的位敏探测器(position-sensitive detectors, PSDs)在空间探测，环境监控，以及光学工程等领域表现出巨大的应用潜力。石墨烯，二硫化钼等二维材料因其具有高载流子迁移率，可调控能带结构和较大的光吸收率等优异的光电特性而成为了PSDs的热门研究材料。
将二维材料与不同的半导体结合形成异质结可以有效的弥补材料的缺点，更大限度的发挥出二维材料在光电器件中的优势，有助于制备出具有高灵敏度和超快响应速度的新型PSDs。
尤其是将二维材料的LPE和Si的加工技术相结合，对光电探测领域新技术的开发和应用具有重要意义。
但是目前关于LPE物理机制的研究还不完善，如何利用二维材料的光电特性以及异质结的内建电场提高光生载流子的分离效率和传输速度是提高PSDs性能的关键问题。
基本原理
侧向光伏效应(lateral photovoltaic effect, LPE)是指异质结在激光照射下产生的光生载流子被内建电场分离后横向扩散的过程，在样品表面测得的电势差与激光照射位置具有良好的线性关系，可用于制备高精度的PSDs。光生载流子的分离效率以及扩散速度是影响PSD灵敏度，响应速度等性能的关键因素。
异质结内建电场形成的原理可以分为两种：1. p-n结界面处由于能带结构不同形成的内建电场。2.界面处有绝缘层的异质结(如在SiO2/Si衬底上制备的异质结)，因界面钉扎效应导致能带弯曲而形成的内建电场。
图一. 侧向光伏效应原理图
基于石墨烯的PSDs
以石墨烯制备的PSDs具有光响应率大，灵敏度高，能耗低以及响应速度快等特点。利用石墨烯高载流子迁移率和SiO2/Si衬底长载流子寿命的特性，制备出的石墨烯/SiO2/Si结构的PSD具有超高的界面放大功能，能在不增加噪声信号的情况下将探测信号放大约104倍，大大提高了PSD的探测灵敏度。
目前已经有研究团队利用石墨烯/SiO2/Si的侧向光伏效应开发出了能够探测二维移动轨迹的PSD。制备出的8×8 mm大尺寸的PSD原型器件不需要外加电源就可以准确探测出平面内激光照射位置的移动轨迹，这种自驱动型PSD在实际应用中有重要意义。
图二. 基于石墨烯的PSD结构示意图
LPE是一种能够将光信号转换为电信号的物理效应，通过对信号的分析处理可以得出很多信息，除了用于位置探测外，还可以用来测量角度变化，记录振动频率，跟踪高速运动物体的轨迹等。
基于石墨烯的PSD经过改造能够实现非接触性角度探测，分辨率可以达到5×10-5度以内，而且角度分辨率会随着入射激光的功率增强而增强。与传统的激光准直，干涉测量法，全反射等光学精密测角度的技术相比，这种基于PSD的角度测量方法不需要复杂的光学设备，在不降低测量精度的情况下操作也更简单。
利用PSD的超快响应特性还可以精确解析声音频率，感知声音的振动并转化为电信号储存下来。PSD通过探测照射到声源上的反射光信号可以感知声源在发声振动时位置的微小变化，这种变化可以被示波器记录下来，从而实现声音的存储。
此外，PSD超高的检测灵敏度和快速的响应能力也可以用来探测高速运动物体的轨迹，通过调整采集数据的时间间隔，能够确定目标物体的具体位置。这种测量方法具有较高的空间分辨率，可以精确的复制轨迹，甚至可以用来记录机械的抖动，在工业生产中具有很好的应用前景。
图三. 侧向光伏效应在PSD中的多种应用
基于MoS2的PSDs
MoS2具有能带可调，高光吸收率等特性，将MoS2 制备成特殊的形貌并与其他半导体衬底结合制备成异质结，如MoS2/Si和 MoS2/GaAs，能够更大限度的发挥材料的光电特性。
比如将垂直取向的MoS2与Si衬底结合后可以制备出高性能的自驱动PSD。特殊的形貌能够增加光吸收率，有助于提高PSD的灵敏度。MoS2的带隙宽度为1.30 eV，与1.12 eV的Si衬底在界面处能够形成有效分离光生电子空穴对的内建电场，在内建电场的作用下光生电子会进入MoS2薄膜，而相应的光生空穴会进入Si衬底然后横向扩散。这种结构的PSD灵敏度能够达到391.1 mV/mm，具有4.74 ms的响应时间。
图四. 基于MoS2/Si的PSD结构和能带示意图
图五. MoS2/n-Si和MoS2/p-Si的LPE及时间响应测试
利用不同能带结构的衬底与MoS2结合可以制备出具有不同内建电场的异质结，有利于研究LPE中光生载流子的传输特性和超快响应的物理机制。
MoS2与n-Si和p-Si两种衬底形成的异质结具有方向相反的LPE，在MoS2/n-Si界面处的内建电场方向向上，LPE主要来源于光生空穴的横向扩散，而MoS2/p-Si界面处的内建电场方向向下，LPE主要来源于光生电子的横向扩散。
传输的载流子类型不同，会造成PSD的灵敏度和响应速度不同。两种结构的PSD响应时间分别为5.8 μs和2.1 μs。超快的响应速度是因为光生载流子是在异质结界面处的反型层中传输造成的。
总结与展望
二维材料的兴起激起了人们对新型PSDs的研究热情，各种方法和策略都被尝试用来提高光电探测器的性能。提高器件加工技术，调控材料能带结构等都是研究新型PSDs 的有效手段。
将石墨烯，MoS2等二维材料和其他半导体结合形成异质结有助于提高PSD的性能，异质结界面处的内建电场可以有效分离光生载流子，二维材料特殊的光电性质为PSD的高灵敏度和响应速度提供了保障。
通过研究基于二维材料的低能耗，高灵敏度和超快响应速度的PSD，有助于更深入的理解LPE的物理机制，为新型光电器件的开发提供了思路。
在未来的PSD研究中仍存在很多机遇和挑战，比如，具有多点同时探测，图形探测等功能的探测器开发，以及可以在紫外光照射下工作的日盲型探测器的研究等都具有重要的意义。
文章信息：
文献链接：
https://doi.org/10.1038/s41377-020-0307-y
文章来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心
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