二维材料异质结高灵敏度红外探测器

综上所述，基于单一种类二维材料很难实现高灵敏的红外探测。二维材料的结构特性为解决单一二维材料的缺点提供了可行方案。由于二维材料具有原子级厚度，层与层之间由范德华相互作用连接，此类范德华相互作用不仅局限于单一材料层与层之间，任何钝化的、无悬挂键的表面同另一表面间也可以通过范德华力相连接，因此，任一二维材料都可以灵活地与其他材料通过范德华相互作用形成异质结构。本文将含有二维材料的范德华异质结构统称为二维异质结。二维异质结具有原子级厚度以及无悬挂键的高质量表/界面，使得光生载流子的产生及运输更加可控。例如，type-II型二维异质结构间的内建电场可使光生电子-空穴对在界面处有效分离，这在一定程度上延长了载流子的寿命，有利于光增益和光响应度的提升；内建电场的存在可以有效抑制扩散电流，从而降低暗电流，减小噪声功率。此外，二维异质结可以将不同材料的优势相结合。例如，将石墨烯与PbS 量子点相结合，由于PbS量子点在近红外范围内具有高吸收率，可以提高石墨烯/PbS量子点异质结构的近红外吸收，进而提升外量子效率，增强器件的光响应度。总之，二维异质结的诸多优点使得近年来基于二维异质结的高灵敏红外探测器发展迅速。本文讨论了影响光电探测器灵敏度的主要因素，归纳了提高红外探测器灵敏度的主要策略，回顾了近几年研究者如何基于二维异质结实现具有高灵敏度的红外探测器，分析了灵敏度提升原理，总结了器件的主要性能指标，最后指出了进一步提升红外探测灵敏度所面临的挑战，从大面积二维异质结制备、异质结界面优化利用等方面展望了未来如何获得综合性能良好的高灵敏度红外探测器以及实现探测器商业应用。

2 光电探测器的性能指标

2.1 光响应度

光响应度描述的是光电器件的光电转换能力，其定义为光电探测器的输出信号与入射光功率的比值，输出信号为光电流或光电压。因此，光响应度包括电流响应度和电压响应度，表达式分别为：

其中，P为入射光功率，IP、VP分别是在该入射光功率下，光电器件产生的光电流和光电压。光响应度具有波长依赖性，这是由于半导体材料本征能隙影响和光吸收的波长依赖性所导致的。

2.2 噪声等效功率

噪声等效功率是指光电探测器可以从总噪声(外部诱导、内部产生等) 中检测或区分的最小光信号功率，它表征探测器对微弱信号的探测能力。噪声等效功率的定义是信噪比（信噪比是指光电探测器的光电流与噪声电流的比值）为1时所需的入射辐射功率，表达式可写为

由于噪声功率与带宽的根号成正比，因此规定NEP为1Hz带宽条件下的测量结果，I N 为1Hz带宽的噪声电流频谱，单位为A·Hz −1/2 。因此NEP的单位为W·Hz −1/2 。

2.3 探测率和比检测率

光电器件的噪声等效功率NEP越小，其能检测到的光信号就越弱，即光电器件的弱光探测能力越强。但参数NEP不符合人们的传统认知习惯。因此，定义NEP的倒数为光电器件的探测率，作为衡量光电器件探测能力的一个重要指标。探测率用公式表示为

D的单位是W −1 。它描述的是器件在单位输入光功率下输出的信噪比，显然D值大，光电器件的性能越好。

为了更好地对不同探测器的探测率进行比较，应排除带宽、形状、器件面积的影响。因此对探测率D 归一化得到归一化探测率D*。归一化探测率也称为比检测率，是光电探测器最重要的性能指标之一，一般用它来评估探测器捕获弱信号的灵敏度。比探测率越大，探测器的弱光探测性能越好，其定义式为

其中，A 是器件的有效面积，B 是带宽。由该定义可知，要获得高灵敏度，需要器件具有低噪声功率、高响应度。D*的单位为cm·Hz 1/2 ·W −1 (Jones)，即当探测器响应元面积为1 cm 2 ，放大器带宽为1 Hz 时，单位功率所能给出的信噪比。比探测率代表探测器捕获弱信号的灵敏度，是探测器最重要的性能指标之一。这个数值越大，探测器弱光探测性能越好。

2.4 光电导增益

光电导增益定义为在长度为L 的器件两端加上电压后，电场对光生载流子加速形成的外部电流与光电子形成的内部电流之比，可以表示为

其中，q 为光电子的电荷量，N I 为光电子数目，η tran 表示器件电子转移效率。

光电导增益也可以表示为

载流子的长寿命（τ life ）和短漂移通过时间（τ tran ）使得光生电子或空穴可以在通道中循环多次并导致光电导增益。漂移时间取决于施加偏压（V bias ）、载流子迁移率（μ）和通道长度（L），可以表达为

2.5 量子效率

量子效率包括外量子效率（EQE）与内量子效率（IQE）。外量子效率是单位时间内器件产生的载流子数量N I 与照射器件的光子数N P 的比值。它表示单位时间内每入射一个光子所能产生的载流子数。对光电导增益为1的光电器件来说，如光伏模式下的光电二极管，外量子效率的表达式如下

其中h是普朗克常数，c是光速，e是电子电荷，λ是入射光的波长，v是光子的频率，G是光电导增益。

当光照射样品时，只有一部分光子被吸收了，吸收的光子数量用N A = N P η A 表示，其中η A 是光吸收效率。内量子效率（IQE）表示单位时间内每吸收一个光子所能产生的载流子数。因此，IQE的表达式为

2.6 响应时间和截止频率

响应时间是光电探测器的重要参数之一，反映了光电探测器的响应速度。它包括上升时间τ r 和下降时间τ f ，通常定义为从净光电流的10%至90%以及90%至10%的测量时间，即光电探测器由“关”转换到“开”或由“开”转换到“关”所需要的时间。

当入射光频率改变时，光电探测器的响应度可表示为

其中，R 0 为静态光照下的光响应度。当R(f)下降到0.707 R 0 (即下降3dB)时的频率定义为光电探测器的截止频率f c 。

3 高灵敏度光电探测的实现方法

3.1 光电探测的主要机制

光电探测器的工作原理是将光信号转换为电信号。光电探测的物理机制主要分为两大类：一类是因光照而引起的物体电学特性的改变，统称为光电效应；另一类是由于入射光辐射的加热作用所引起的物体电学特性的改变，统称为热电效应。光电效应主要包括光伏效应和光电导效应；热电效应主要包括光热电效应和辐射热效应。

3.1.1 光电效应

（1）光伏效应

半导体材料吸收光子能量并产生光生电子-空穴对，在内部电场（同质结、异质结、肖特基势垒结）的作用下，电子/空穴会发生定向移动，从而在半导体材料中形成光生电势差，这种现象被称为光生伏特效应。光生伏特效应可用于实现光电池、光电二极管/三极管、位置传感器等。基于光伏效应的二维材料光电晶体管可以充分利用材料的高载流子迁移率和高费米速度特性，因此基于光伏效应的二维材料光电器件具有出色的高频响应特性，主要用于光通信、光调制器和其他超快速光检测。

（2）光电导效应

当半导体材料受光照射时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的变化，导致材料电导率发生变化，这种现象称为光电导效应。当光子能量大于材料的禁带宽度时，将价带中的电子激发到导带形成自由电子，这样，在价带中留下自由空穴，从而引起材料电导率的变化，称为本征光电导效应。杂质半导体中，被束缚在杂质能级上未被激发的载流子吸收光子能量后，使电子从施主能级跃迁到导带或从价带跃迁到受主能级，从而产生光生自由电子或空穴，引起材料电导率的变化，这种现象则称为杂质光电导效应。光敏电阻就是一种基于光电导效应的光电器件。

Photogating 效应是光电导效应的一个特殊例子，在半导体材料的表面或缺陷处可能会存在一些局域态，如果电子或空穴被局域态束缚，这就像在局部施加了门电压，可以有效调控材料的电阻。在这种情况下，只有一种载流子能够进入电极形成电流，光生载流子的寿命取决于局域束缚态的复合时间，通常情况下，这个时间比较长，从而通道中的电子或空穴可以循环多次，因此会引起较大的增益。

3.1.2 热电效应

（1）光热电效应

光热电效应也称为塞贝克效应。此效应基于由光照射引起的热效应。在入射光的照射下，半导体材料内部电子状态不会直接改变，但吸收的能量会转化为晶格或电子的热能。由于材料不同区域间的塞贝克系数不同，区域间将产生温度差异，热载流子就会在温度梯度作用下定向移动，形成温差电动势，也就是光压。

（2）辐射热效应

辐射热效应是由入射在材料上的光子所引起的直接加热导致的材料载流子迁移率改变。二维材料辐射热探测器的灵敏度由热阻R h = dT=dP决定。辐射热探测器可吸收亚毫米波甚至毫米波，因此，辐射热探测器可用于中红外及远红外波段

的光检测。

3.2 提升探测器灵敏度的主要方法

比探测率代表探测器捕获弱信号的灵敏度，是探测器最重要的性能指标之一。比探测率的值越大，探测器的灵敏度就越高。由2.3 节可知，探测器灵敏度的大小由光响应度和噪声功率共同决定。为提升探测器的灵敏度，可以通过降低噪声功率或提高光响应度来实现。

3.2.1 降低噪声功率

光电探测器存在许多内部噪声，如散粒噪声、热噪声、闪烁噪声等。散粒噪声是光电探测器的主要噪声来源，它主要包括信号光、背景光以及暗电流噪声[39]。其中，暗电流噪声是不可忽略的噪声源，其对弱光探测有着重要影响。暗电流是指在没有光照射的情况下，半导体中受热激励产生的自由载流子在外加电压的驱动下，形成的较小电流。由光电探测器暗电流引起的输出信号起伏称为暗电流散粒噪声。暗电流在一定程度上反映了探测器的噪声水平，暗电流越大，探测器的噪声功率越大。对具有内增益的探测器来说，如光电倍增管、雪崩光电二极管等，内增益越大，器件的暗电流越大。基于二维材料的红外探测器由于具有高暗电流，阻碍了探测灵敏度的进一步提升。因此，抑制探测器的暗电流是降低探测器噪声功率的一种有效方法。

3.2.2 提升光响应度

由式（9）知，响应度 R 与外量子效率EQE 有如下关系

由式（12）可见，器件的响应度由外量子效率与光电导增益共同决定。其中，外量子效率与材料的吸收系数α(λ)、吸收区的厚度w 有如下关系

吸收系数α(λ) 是波长的函数，因此，外量子效率也与波长有关。由式（13）可见，材料的吸收系数越大或者吸收层越厚，光电探测器的外量子效率越大。然而，二维材料仅具有原子层厚度，其吸收层很“薄”，因此，二维材料光电探测器的外量子效率较低，这在一定程度上制约了响应度的提升。由于器件的响应度由外量子效率与光电导增益共同决定，因此可以通过引入高光电导增益提升光响应度。

4 基于二维异质结的高灵敏度红外探测器的研究进展

二维材料异质结结合了不同材料的优势，并且由于二维材料的原子级厚度以及无悬挂键的表面使得异质结中光生载流子的产生与运输更加可控，结区内建电场的存在可以促进光生电子-空穴对在异质结界面处有效分离。这些优点使得近年来基于二维异质结的光电器件发展迅速。在3.2节中，讨论了两种提高探测器灵敏度的方法：抑制探测器的暗电流，降低噪声功率与引入高光增益，提升光响应度。近几年，研究者围绕如何在二维异质结中实现暗电流的抑制以及光增益的引入进行了大量研究，并基于此制备了具有高灵敏度的红外探测器。表1 从两种不同策略出发，总结了近年来基于二维异质结高灵敏红外探测器的主要性能指标。

表1 二维异质结高灵敏红外探测器的主要性能指标

4.1 基于低暗电流/暗电流噪声的二维异质结高灵敏红外探测器

二维异质结中的p-n 结或肖特基势垒结由于内建电场的存在，具有整流特性，可以有效抑制电子的扩散，从而抑制暗电流，减小噪声功率。特别地，当探测器在光伏模式下工作时，即零偏压情况下，暗电流最小。

Mingsheng Long 等人基于WSe 2 /石墨烯/MoS 2 （p-g-n）异质结制备了室温宽带光电探测器，探测光谱范围从400nm至2400nm，覆盖了可见光到近红外区域。器件示意图和光学图像如图1（a）所示。功函数大的金属Pd使得WSe 2 呈p型掺杂，而MoS 2 由于费米钉扎效应仍然呈n型，因此形成了具有强内建电场的p-n结。由于内建电场的存在，暗电流被有效抑制，比探测率相应地提高。在可见区光域，3种材料均能吸收光并产生光响应，R和D*高达10 4 A/W和10 15 Jones。在红外区域（2400nm），由于MoS 2 、WSe 2 本征带隙的限制，仅零带隙的石墨烯吸收光，产生光生电子-空穴对，因此R和D*急剧下降到100A/W和10 9 Jones，见图1（b）。基于光伏效应的多种二维type-II 异质结同样具有强内建电场，可有效抑制暗电流，因而被广泛用于近红外探测。LiuWang等人展示了基于MoS 2 /Si的近红外探测器，如图1（c）、1（d）所示，光谱响应范围从350nm至1100nm，可在零偏压下实现自驱动运行，对于808nm探测光，D*高达10 13 Jones。Di Wu 等人基于PtSe 2 /CdTe异质结实现了室温近红外探测，光谱响应范围从200nm到2000nm，在780 nm激光照射下，R和D*分别为506.5 mA/W和4.2×10 11 Jones。Cheng Jia等人制备了基于WS 2 /GaAs异质结的室温近红外探测器，光谱响应范围从200nm至1500nm，可在零偏压下实现自驱动运行，探测808nm光时，R和D*高达527mA/W和1.03×10 14 Jones。

图 1 基于二维异质结的低暗电流近红外探测器。（a）上图：基于MoS 2 /石墨烯/WSe 2 异质结构光电探测器的光学图像，比例尺：5 μm；下图：异质结器件示意图；（b）光响应度R（左）和比探测率D*（右）在400到2400nm范围内随波长的变化；（c）基于MoS 2 /Si异质结光电探测器的示意图；（d）808nm激光照射下，光响应度R（左）和比探测率D*（右）随光功率的变化

由于材料本征带隙的限制，上述基于二维异质结的红外探测器只在近红外波段具有高灵敏度。中远红外波段的高灵敏探测需要基于带隙更窄的二维材料来实现。因此，基于BP（带隙~0.31 eV）构建二维异质结用于中红外探测器受到了广泛研究。James Bullock等人展示了基于BP/MoS 2 异质结的中红外探测器。为了增加光吸收，选取较厚的BP（150 nm）制备异质结，同时由于BP的各向异性，沿扶手椅方向，BP可吸收80%的波长为3μm的偏振光。室温下，对波长为3.8μm的光进行探测，D*高达1.2×10 10 Jones，可与商用中红外光电探测器相媲美。该探测率是在零偏压下测得的，而其他探测器的探测率大多是在外加偏压情况下得到的。该二维材料探测器为实现低功耗、室温运行的中红外高灵敏度光电探测器提供了一种有效方法。

区别于上述红外探测器利用抑制暗电流产生减小噪声功率、提高探测灵敏度的方式，弹道雪崩通过减少载流子产生的离散性来抑制暗电流波动，减小暗电流噪声，从而提高探测灵敏度。雪崩光电二极管具有高内增益，它利用p-n 结在高反向偏压下产生雪崩效应进行工作。传统雪崩因具有高光增益，光探测灵敏度较高，然而载流子碰撞离化过程随机导致暗电流噪声大，这使得微弱信号常常被自身噪声信号淹没，制约其探测灵敏度的进一步提升。弹道雪崩是一种新型p-n 结击穿机制。弹道雪崩中，每个载流子渡越过程中的离子碰撞数目均为1，暗电流噪声小，这为进一步提升雪崩探测器灵敏度提供了一种有效方法。实现载流子的弹道输运是实现弹道雪崩的前提，这要求载流子的平均自由程（平均自由程一般为nm 量级）要大于沟道长度，这一条件仅能在具有原子层厚度的二维材料中实现。BP 由于强层间耦合作用，具有较高的面外迁移率，这使得在BP 中有望实现弹道输运。Anyuan Gao等人构建了基于“弹道雪崩”的BP（~10 nm）/InSe（~10 nm）异质结中红外探测器，检测波长从可见光至4 μm的中红外波段。在200K时，BP中空穴和电子的平均自由程分别约为14 nm、10 nm，均比BP沟道长度大。该器件的雪崩电压小，在反向偏压小于2 V时，就出现了雪崩现象；在−4.3 V时，器件的雪崩倍增因子高达3×10 4 。该器件在雪崩模式下比非雪崩模式下的噪声更小，无白噪声，呈现完美的1/f噪声（闪烁噪声）形状；当频率大于某一频率后，弹道雪崩光电探测器的噪声水平低于传统雪崩光电探测器理论极限。这说明，弹道雪崩中暗电流噪声被有效抑制，优异的噪声性能使得基于弹道雪崩的光电探测器有潜力实现高灵敏度光探测。

4.2 具有高增益的二维异质结高灵敏度红外探测器

除了通过抑制暗电流来提高二维异质结红外探测器的灵敏度以外，提高响应度也是提高探测器灵敏度的一种有效方法。由3.2 节可知，由于二维材料仅具有原子层厚度，这导致了二维材料探测器外量子效率低，在一定程度上制约了探测器响应度的提升。由于器件的响应度由外量子效率和光电导增益共同决定，因此实现高光响应的一个有效方式是实现高光电导增益。基于photogating效应的二维异质结红外探测器因有效延长了光生载流子的寿命，使得器件具有高光增益。当光照射具有photogating 效应的二维异质结时，光敏材料吸收光，产生光生电子-空穴对。之后光生电子-空穴对在内建电场作用下，在异质结界面分离，一种类型的载流子被捕获，形成光致局域场，这种载流子被捕获的时间一般较长，相当于延长了光生载流子的寿命；另一类型的载流子注入沟道材料中，在光生载流子复合前，可以在沟道内多次循环，实现高光增益，从而使探测器具有高响应度。

Konstantatos 等人展示了基于石墨烯/PbS 量子点的光电晶体管，光谱响应范围从可见光至短波近红外，具有10 8 的超高增益、5×10 7 A/W的光响应度、7×10 13 Jones的高比探测率。光谱响应范围由PbS量子点的吸收谱决定，石墨烯中由于光生载流子的快速复合基本不产生光电导，通过调节量子点尺寸，量子点的带隙发生改变，从而使光谱响应范围改变。PbS 量子点薄膜吸收光，产生光生电子-空穴对；之后，光生电子-空穴对在界面处的内建电场分离。由于光照，石墨烯内狄拉克点（VD）漂移至更高的栅极电压（VBG）。当VBG