vdW单极势垒光电探测器的应用前景。功劳:陈等。高暗电流会显著损害红外光电探测器的性能，这是一种可以探测红外辐射形式的光子的设备。多年来，大多数阻挡暗电流的解决方案都是利用探测器内部的电场。中国科学院的研究人员最近设计了一种抑制光电探测器暗电流的替代方案，该方案基于范德瓦尔斯(vdW)异质结构的使用。在《自然电子》杂志发表的一篇论文中，他们展示了由波段工程vdW异质结构制成的可见光和中波长红外单极势垒光电探测器。
“自从贝尔实验室在1935年生产硅基PN结以来，利用耗尽区的内置电场已经成为阻挡暗电流的主要技术路线，”进行这项研究的两名研究人员胡和通过电子邮件告诉Tech Xplore。“在传统的PN结红外光电探测器中，耗尽区的高肖克利-里德-霍尔(SRH)复合和表面复合严重限制了暗电流的抑制。针对这些问题，工程师们在PN结之外引入了一种新的器件结构，即单极势垒结构。”
胡、周和他们的同事发表的这篇论文背后的关键思想是单极势垒异质结构可以用来抑制光电探测器内部的暗电流。事实上，通过阻挡大部分载流子，这些结构最终可以让红外光电探测器在高温下工作，实现卓越的性能。
“提出的新型单极势垒异质结构可以解决红外光电探测器的暗电流瓶颈，进一步提高红外光电探测器的性能，”胡和周说。“最终，它们可以促进二维(2D)材料在红外应用中的‘实验室到工厂’的转变。”
最近，越来越多的研究人员开始设计和使用具有单极势垒结构(通常是nBn和pBp异质结构)的光电探测器来抑制暗电流并使其能够在高温下工作。这些阻挡层可以阻挡暗电流，但它们允许光电流自由流动。
单极vdW异质结构的能带图和性能。nBn单极势垒光电探测器的能带图和器件结构。b、pBp单极势垒光电探测器的能带图和器件结构。暗电流密度和离子/离子比的比较。红外黑体探测率比较。Credit: Chen等:“在nBn的情况下，导带势垒可以有效地阻挡电子从接触层向吸收层的运动，使表面电流大大衰减，”胡和周解释说。“同时，耗尽区的分布接近宽带隙势垒层，这降低了SRH电流。此外，随着吸收层载流子浓度的降低，决定热噪声的俄歇复合可以得到有效抑制。”
在设计光电探测器内部的阻挡层时，工程师应该考虑诸如能带对齐和晶格匹配等特性。因此，具有vdW单极势垒的光电探测器可以由二维(2D)材料制成，这避免了与自然自钝化表面相关的晶格失配和界面缺陷。方便的是，2D材料还具有层可调的能带结构，可以通过科学设计和堆叠来创建nBn或pBp能带对齐。
“通过引入大的带隙势垒层，单极势垒可以有效地抑制暗电流，”胡和周说。“因此，单极势垒光电探测器可以在比相同暗电流下的pn结更高的温度下工作，或者在相同温度下具有更高的性能。”
胡、周及其同事率先实现了基于层状材料的wdW单极势垒光电探测器。此外，他们对单极势垒结构中的暗电流分量进行了系统分析。
将来，这个研究团队创造的光电探测器可以用来增强几个传感和成像设备。此外，他们的工作可以启发其他团队使用2D分层材料制造类似的光电探测器。
胡和周说:“所提出的新颖的单极势垒异质结构在遥感和红外成像等红外应用领域的二维材料的‘实验室到制造’过渡方面取得了关键的技术突破。”。“在前期研究的基础上，新颖的结构优化、可扩展的红外焦平面阵列(FPA)以及双波段探测、偏振红外成像等功能应用是我们后续的目标。”
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