华南师范大学李京波课题组AOM: 基于GeAs/InSe异质结的高性能自驱动偏振光探测器

原标题：华南师范大学李京波课题组AOM: 基于GeAs/InSe异质结的高性能自驱动偏振光探测器

在偏振角度相关的光电子学和偏振光学应用领域中，检测线偏振光的能力是必不可少的。迄今为止，大多数偏振敏感光电探测器主要是基于单个二维 (2D) 各向异性材料，仍然存在暗电流大、外部偏置驱动和各向异性比低等问题。为了解决这些问题，华南师范大学半导体科学与技术学院的李京波教授和霍能杰研究员课题组开发了具有 II 型能带排列的各向异性/各向同性材料相结合的范德华 (vdW) GeAs/InSe 异质结，由此实现了高性能的自驱动偏振敏感光电探测器。

摘要：本文提出了一种利用各向异性/各向同性范德华(vdW)异质结实现高性能自驱动偏振光探测的新策略。我们制作了具有Ⅱ 型能带结构的vdW GeAs/InSe异质结，该器件具有0.1pA的低暗电流，357 mA/W的高响应度，光电功率转换效率达8%, 异质结还展示了自驱动偏振光探测，具有优越的各向异性光电流比18，超过了目前的其他二维偏振光探测器。

关键词：Advanced Optical Materials , GeAs/InSe异质结, 二维材料, 自驱动偏振光探测器。

基于各向异性材料的偏振光探测器在偏振传感器、遥感和偏振光谱成像等实际应用中具有相当大的优势。近十年来，二维层状材料因其独特的物理性质而受到广泛关注。例如，TMDs和基于TMDs的范德华异质结构(vdW)已经在光探测、视频成像和光电电路中取得了巨大的成功。然而，这些二维材料大多具有高度对称的面内晶格结构，已被用于非偏振相关器件。近年来，GeSe、BP、ReS 2 和SnS等低对称蜂窝状结构的二维半导体因为其在光吸收、热导和载流子输运方面良好的各向异性，引起了人们极大的研究兴趣。砷化锗（GeAs）是一种典型的低对称二维层状半导体，具有强烈的面内各向异性结构，表现出很强的各向异性光电特性，其空穴载流子迁移率为100 cm 2 V -1 s -1 ，各向异性迁移率比为4.8，高于其他二维各向异性材料(如ReS 2 )等。同时具有良好的空气稳定性，因此，二维 GeAs已经成为一个很有前途的偏振应用候选材料。然而，单一GeAs器件的暗电流较大，性能较差，光电流二色比限制在1.49-4.4。此外，基于单一各向异性材料的光电探测器运行时需要额外的外部电压，导致功耗大，限制了其在复杂环境条件下的应用。因此，人们致力于通过设计各向同性/各向异性vdW异质结来实现低功耗的自驱动光电探测器。在本工作中，我们首次制备了各向异性/各向同性的vdW异质结，该异质结由GeAs/InSe组成，具有高性能的自驱动和偏振光电探测功能。

图1介绍了GeAs/InSe异质结的表征包括GeAs和InSe的原子结构和光学显微镜图以及GeAs/InSe异质结的器件图以及拉曼图谱。

图2介绍了GeAs/InSe异质结Ⅱ型能带排列图，Ⅱ型能带有利于光激发电子-空穴对的分离和收集，为实现高光伏和光探测性能提供了可能性。表现为明显的整流行为整流比为3×10 3 。

图3展示出了杰出的光伏效应。最大开路电压(V OC )为0.33 V，405nm下的功率转换效率(PCE)高达8%。作为光电探测器，在无外部偏置的情况下，具有357 mA/W的高响应度、10 3 的开关比。

图4介绍了GeAs/InSe的响应速度和灵敏度特性， 器件在上升和衰减时间上都表现出25毫秒的快速响应速度，允许视频成像应用。通过对暗电流进行傅里叶变换，得到噪声谱密度(Sn)作为频率的函数。D*定义为

计算得出 2×10 11 Jones。

图5介绍了GeAs/InSe异质结的偏振光电探测。可以看出，光电流的幅值随偏振角的变化周期性变化，在90° (270°)处达到最大值为10 nA，在0° (180°)处达到最小值为0.55 nA。基于这些值，将角度相关的光电流绘制在极坐标下(图5d)，显示出较强的偏振光响应，周期为180°，这与拉曼光谱的周期性相一致。计算结果表明，异质结的各向异性比(最大光电流与最小光电流之比)高达18，远优于最新报道的基于各向异性二维材料和异质结的偏振光电探测器。

WILEY

论文信息：

High Performance Self-Driven Polarization-sensitive Photodetectors based on GeAs/InSe Heterojunction

Jingxian Xiong, Yiming Sun, Liangwei Wu, Weizhe Wang, Wei Gao, Nengjie Huo, and Jingbo Li

Advanced Optical Materials

Advanced

Optical

Materials

期刊简介

Advanced Optical Materials创刊于2013年，是一本报道材料科学领域与光-物质相互作用相关的突破性研究的跨学科国际期刊。其收录论文的研究领域包括光子学、等离激元光子学、超材料等。2019年影响因子为8.286。

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