鈮酸鋰與二硫化鉬的異質(zhì)集成寬帶、偏振敏感和自驅(qū)動高性能光電探測

近日，暨南大學(xué)盧惠輝教授，關(guān)賀元教授和楊鐵鋒副教授團(tuán)隊提出了將鐵電材料LiNbO3的偏振敏感特性和半導(dǎo)體MoS2的強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用結(jié)合起來的異質(zhì)集成策略，實現(xiàn)了寬帶、偏振敏感和自驅(qū)動的高性能光探測，為基于LiNbO3的高性能光電探測提供了一種可行的思路。相關(guān)成果以題為“Broadband, Polarization-Sensitive, and Self-Powered High-Performance Photodetection of Hetero-Integrated MoS2on Lithium Niobate”發(fā)表在Research上。

01

研究背景

高性能光電探測器在各種領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛力，例如光通信、光學(xué)成像、醫(yī)療診斷和環(huán)境監(jiān)測。近年來，二維材料特別是層狀過渡金屬硫族化合物（TMDCs）因其優(yōu)異的光電性能在集成光電探測器領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。其中MoS2具有較弱的暗電流、高穩(wěn)定性、可調(diào)節(jié)的帶隙、高載流子遷移率和在可見光波段具有強(qiáng)的光吸收的特點，代表著最可靠的、具有優(yōu)異光電特性的二維層狀半導(dǎo)體，常被用于構(gòu)建光電探測器、場效應(yīng)晶體管和突觸晶體管等光電器件。然而傳統(tǒng)的MoS2探測器通常需要額外的工作電壓來驅(qū)動光生載流子的定向運動來形成光電流，并且探測波段受到半導(dǎo)體帶隙的限制，且MoS2固有的各向同性使該類器件的偏振靈敏特性可忽略不計，這些都阻礙了MoS2光電探測器向低功耗、寬帶和偏振靈敏的方向發(fā)展。

02

研究進(jìn)展

該團(tuán)隊構(gòu)思并構(gòu)建了MoS2/ LiNbO3異質(zhì)結(jié)光電探測器（圖1），以有效地克服上述挑戰(zhàn)。LiNbO3是一種性能優(yōu)異的鐵電晶體，具有高熱釋電系數(shù)、強(qiáng)光折變效應(yīng)、寬透光范圍和高居里溫度的優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于光源、調(diào)制器、光頻梳等集成光電器件中。MoS2/ LiNbO3光電探測器受到光照后LiNbO3的局部溫度升高，導(dǎo)致自發(fā)極化強(qiáng)度降低，鐵電極化對LiNbO3表面電荷的束縛能力減弱，因此空穴和電子沿z方向兩側(cè)注入MoS2溝道，從而調(diào)制溝道中載流子的分布并形成內(nèi)部電場，驅(qū)動光生載流子定向移動，實現(xiàn)了自驅(qū)動的快速光響應(yīng)（≈ 20 ms/40 ms）以及高開關(guān)比（≈ 190）（圖2）。

圖1 MoS2/ LiNbO3異質(zhì)集成光電探測器件結(jié)構(gòu)示意圖和材料表征

圖2 自驅(qū)動模式下原始LiNbO3和MoS2/ LiNbO3光電探測器的光致開關(guān)特性

同時，得益于LiNbO3在寬波段內(nèi)的熱釋電效應(yīng)，MoS2帶隙對探測范圍的限制被打破，從而將探測器的響應(yīng)帶寬拓展到365-1064 nm（圖3）。另一方面，MoS2的高載流子遷移率使其可以作為LiNbO3襯底的導(dǎo)電溝道，并且MoS2良好的光吸收率增強(qiáng)了器件整體的光與物質(zhì)相互作用，有效彌補(bǔ)了原始LiNbO3器件低導(dǎo)電性和較大帶隙的絕緣體特性。MoS2/ LiNbO3異質(zhì)集成使兩種材料的優(yōu)勢得到充分的互補(bǔ)與利用，有助于提高整個異質(zhì)結(jié)器件的綜合性能，使器件獲得了高的靈敏度（R = 17.3 A W-1，D*= 4.3×1011Jones，EQE = 4645.78%）（圖3），并取得了快速的光響應(yīng)（≈ 150 μs/250 μs）（圖4），彰顯了MoS2/LiNbO3異質(zhì)結(jié)器件優(yōu)異的光電探測能力。

圖3 MoS2/ LiNbO3異質(zhì)集成光電探測器件的光響應(yīng)特性

圖4 MoS2/ LiNbO3異質(zhì)集成光電探測器件的光致開關(guān)特性

更有趣的是，鐵電晶體LiNbO3由于其各向異性的晶體排列而對偏振光敏感。受到激光照射后，LiNbO3晶體中電荷會發(fā)生空間分離，由此產(chǎn)生的內(nèi)部電場可實現(xiàn)對折射率的調(diào)制，這種光折變效應(yīng)使得各向異性LiNbO3具有偏振敏感特性，具有偏振角依賴性的熱釋電電荷會注入MoS2通道，從而將偏振探測能力遺傳到異質(zhì)結(jié)探測器上，使器件在自驅(qū)動模式下獲得高達(dá)7.42的二向色性比（圖5）。

圖5 LiNbO3誘導(dǎo)MoS2/ LiNbO3光電探測器偏振響應(yīng)示意圖

03

未來展望

MoS2/LiNbO3異質(zhì)結(jié)光電探測器不需要高能離子注入或表面量子點修飾等復(fù)雜的加工手段，而是通過PDMS輔助干法轉(zhuǎn)移工藝將機(jī)械剝離的MoS2薄膜與LiNbO3異襯底完成范德華異質(zhì)集成，從而實現(xiàn)自發(fā)極化材料LiNbO3異的熱釋電特性和半導(dǎo)體MoS2優(yōu)異的光電性能的結(jié)合。該項工作進(jìn)一步探究了鐵電晶體對提高光電微納器件探測性能所起的作用，是一種獲得兼具成本效益和高性能的寬帶偏振靈敏光電探測器的可行策略。