導言

二維過渡金屬二硫化物（TMDs）由于其表面無懸垂鍵、可調(diào)節(jié)的帶隙和高載流子遷移率等特性，在光電器件領(lǐng)域具有巨大潛力。其中，二硒化鉑（PtSe2）被認為是制備高性能紅外光電探測器的理想材料之一。其層間可調(diào)帶隙范圍為0-1.2 eV，可通過改變薄膜厚度實現(xiàn)從半導體到半金屬的轉(zhuǎn)變，吸收光譜覆蓋可見光到中紅外波段。然而，目前報道的大多數(shù)2D-3D結(jié)合的器件均為p-n異質(zhì)結(jié)器件，采用輕摻雜或重摻雜的n型襯底，這既作為光吸收層，又作為載流子傳輸層，影響了載流子在n型體材料中的有效傳輸。同時，二維材料與輕摻雜或重摻雜的n型襯底的接觸界面存在較多缺陷，導致光生載流子在界面分離時存在嚴重復合損失，使得光電流與光功率之間的擬合值θ無法達到理想狀態(tài)。光電探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和界面優(yōu)化是實現(xiàn)高穩(wěn)定性、接近理想狀態(tài)以及寬光譜紅外探測的關(guān)鍵問題。

相關(guān)成果以“基于Si/SOI晶圓鍵合剝離的高質(zhì)量超純本征硅薄膜的穩(wěn)定自供電寬帶PtSe2/Si Pin 紅外光電探測器"為題發(fā)表。希望該研究能為您的科學研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來一些靈感和啟發(fā)。

正文

二維過渡金屬二硫化物（TMDs）因其表面無懸垂鍵、可調(diào)帶隙和高載流子遷移率等特性，在光電器件領(lǐng)域備受關(guān)注。PtSe2 作為一種*具前景的 TMDs 材料，其帶隙可通過改變薄膜厚度在 0-1.2 eV 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，覆蓋從可見光到中紅外譜區(qū)的吸收范圍。此外，PtSe2 具有高載流子遷移率和化學穩(wěn)定性，有助于實現(xiàn)快速響應時間和良好的空氣穩(wěn)定性。

過去五年中，研究人員致力于開發(fā)集成 PtSe2 與塊體材料的 p-n 異質(zhì)結(jié)光電探測器。例如，2021 年 Lu 等人在鍺（Ge）基底上構(gòu)建了多層 PtSe2/Ge 異質(zhì)結(jié)光電探測器陣列；2022 年 Ye 等人通過引入約 3 nm 厚的 SiO2 絕緣層，制備了與 CMOS 兼容的 PtSe2/超薄 SiO2/Si 自驅(qū)動光電探測器；2023 年 Li 等人實現(xiàn)了二維 PtSe2 薄膜在鈍化 Ge 基底上的垂直生長，構(gòu)建了 PtSe2/Ge 肖特基結(jié)光電探測器；2024 年 Wang 等人通過在銦磷（InP）晶片上垂直堆疊二維 PtSe2 薄膜，開發(fā)出自供電近紅外肖特基結(jié)光電探測器。然而，這些 2D-3D 結(jié)合器件均為 p-n 異質(zhì)結(jié)，且所用襯底為輕摻雜或重摻雜 n 型襯底，存在諸多缺陷，影響了載流子的有效傳輸，并導致光生載流子在界面分離時的復合損失嚴重，θ 值未能達到理想狀態(tài)。

鑒于此，本研究采用疏水鍵合技術(shù)實現(xiàn)無氣泡、高強度、無氧化層的 n+-Si/SOI 晶片鍵合，剝離出高質(zhì)量超純 i-Si 層，制備出新型 p-PtSe2/i-Si/n+-Si pin 光電探測器。該器件在室溫下實現(xiàn)了從 532 到 2200 nm 的寬譜探測，整流比高達 2.1×10?，θ 值在 3.5 mW 光功率范圍內(nèi)達到理想狀態(tài)的 1，響應度（R）和比探測率（D*）幾乎不依賴于功率，分別為 46.5 mA/W 和 1.94×1011 Jones，顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性，理想因子（n）低至 1.2，接近理想狀態(tài)，激活能約為 0.52 eV，接近 Si 帶隙的一半，表明器件中的載流子傳輸為復合機制。這項工作首*將晶片鍵合與二維材料轉(zhuǎn)移相結(jié)合，構(gòu)建范德華異質(zhì)結(jié)，為 2D-3D 硅基 pin 光電探測器的制造提供了新方法。

結(jié)果與討論

器件制備與結(jié)構(gòu)表征

研究團隊采用疏水鍵合技術(shù)制備 i-Si/n+-Si 襯底。通過 RCA 方法對 SOI 晶片和 n+-Si 晶片進行清洗，然后浸泡在稀釋的 HF 溶液中獲得疏水表面，將兩者鍵合在一起，并在高溫管式爐中退火以實現(xiàn)高強度鍵合。通過機械研磨和化學腐蝕方法剝離出高質(zhì)量超純 i-Si 頂層，形成 i-Si/n+-Si 結(jié)構(gòu)。接著，采用熱輔助轉(zhuǎn)換法（TAC）制備 PtSe2 薄膜，將其轉(zhuǎn)移至疏水鍵合的 i-Si/n+-Si 襯底上，完成 p-PtSe2/i-Si/n+-Si pin 光電探測器的制備。

圖1 （a）PtSe?薄膜的拉曼光譜。（b）沉積于SiO?/Si基底上的PtSe?薄膜的X射線衍射（XRD）圖譜。（c，d）PtSe?薄膜的X射線光電子能譜（XPS），分別為Pt 4f和Se 3d譜圖。（e）PtSe?薄膜的原子力顯微鏡（AFM）圖像。（f）PtSe?的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。（g）覆蓋PtSe?薄膜的3英寸SiO?/Si基底的照片。（h）拉曼光譜中Y軸數(shù)據(jù)彩色映射的三維瀑布圖。（i）3英寸硒化物樣品的A?g/Eg峰面積與半高寬（FWHM）關(guān)系圖。

材料結(jié)構(gòu)與晶體質(zhì)量分析

研究團隊使用拉曼光譜儀（ZOLIX, RTS-mini）、X 射線衍射儀（XRD Rigaku Ultima IV）、掃描聲學顯微鏡（CSAM, UESTAR, AM-300）等設(shè)備對 PtSe2 薄膜及器件的結(jié)構(gòu)特性、晶體質(zhì)量、鍵合界面氣泡狀況及鍵合面積等進行了全面表征。結(jié)果表明，所制備的 PtSe2 薄膜具有高結(jié)晶度和單向取向，XPS 分析進一步確認了 Pt 和 Se 原子的化學成分和結(jié)合能，SEM 和 AFM 測試顯示 PtSe2 薄膜具有大面積均勻性和高質(zhì)量的表面形貌。

光電性能測試與分析

研究還對比了線性PEI（PEIL）、支化PEI（PEIB）和乙氧基化PEI（PEIE）的鈍化效果。結(jié)果表明，PEIE在溶液加工性和界面鈍化效果上具有最佳平衡。支化PEI雖然也能提升Voc，但對Jsc的影響較大；而線性PEI則對Voc提升有限。

圖2 （a）器件結(jié)構(gòu)示意圖。（b）不同溫度下的I?V特性曲線.（c）活化能.（d）理想因子。（e?i）532至2200納米的光響應。

本文中使用的拉曼探測系統(tǒng)是卓立漢光公司的RTS-mini 經(jīng)濟型光纖共焦拉曼系統(tǒng)。擁有Plug-in 特點的RTS-mini 共聚焦拉曼顯微系統(tǒng)，可跟多種顯微鏡和光譜儀聯(lián)用，提供*佳的靈敏度和空間分辨率。除了在現(xiàn)有的顯微鏡上升級共聚焦系統(tǒng)外，通過靈活地配置光譜儀和探測器，可以打造出針對客戶應用的專屬系統(tǒng)配置。廣泛用于各類工業(yè)應用，如質(zhì)檢，安檢，刑偵，生物醫(yī)療，制藥等需要高拉曼靈敏度的應用領(lǐng)域，并且由于可提供免費的軟件開發(fā)包，并且提供Micromanager 接口，使得系統(tǒng)的后續(xù)開發(fā)及聯(lián)用工作可以輕松展開。

本文中使用的光電測試系統(tǒng)是卓立漢光公司的DSR300微納器件光譜響應度測試系統(tǒng)。DSR300微納器件光譜響應度測試系統(tǒng)是一款專用于低微材料光電測試的系統(tǒng)。其功能全面，提供多種重要參數(shù)測試。系統(tǒng)集成高精度光譜掃描，光電流掃描以及光響應速率測試。40μm探測光斑，實現(xiàn)百微米級探測器的絕對光譜祥響應度測量。超高穩(wěn)定性光源支持長時間的連續(xù)測試，豐富的光源選擇以及多層光學光路設(shè)計可擴展多路光源，例如超連續(xù)白光激光器，皮秒脈沖激光器，半導體激光器，鹵素燈，氙燈等，滿足不同探測器測試功能的要求，是微納器件研究的優(yōu)選。

響應速度與穩(wěn)定性測試

研究團隊還對器件的響應速度和穩(wěn)定性進行了測試。在 -2 V 偏壓下，器件在 1000 Hz 光照頻率下的響應曲線顯示出較為穩(wěn)定的光電響應，上升時間和下降時間分別為約 70 μs 和 290 μs。經(jīng)過 1700 次重復刺激后，器件仍保持一致的光響應，光電流衰減極小，證明了器件具有良好的穩(wěn)定性和可重復性。

圖3（a）能帶結(jié)構(gòu)圖。（b）時域光響應特性。（c）開路電壓與短路電流。（d）0 V和?2 V下的噪聲電流。（e）0 V和（f）?2 V下響應度與比探測度隨入射光功率的變化關(guān)系。（g）器件的線性動態(tài)范圍（LDR）。（h）光電流與光功率的擬合曲線。（i）本文與其它文獻中擬合參數(shù)的對比。

結(jié)論

本研究通過結(jié)合傳統(tǒng)晶片鍵合技術(shù)和二維材料薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)，成功制備了 p-PtSe2/i-Si/n+-Si pin 光電探測器。該器件展現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能和穩(wěn)定性，包括高整流比、低理想因子、寬譜響應以及理想的 θ 值等。與常規(guī) 2D-3D p-n 異質(zhì)結(jié)相比，高質(zhì)量 i-Si 層的引入增強了 p-PtSe2 與 Si 的粘附性，減少了界面缺陷復合，提高了器件穩(wěn)定性。這一成果為未來高性能 2D-3D 光電探測器的發(fā)展提供了新的理論見解和實驗基礎(chǔ)。

通訊作者及其團隊介紹

柯少穎，閩南師范大學物理與信息工程學院副教授，福建省光場操縱與系統(tǒng)集成應用重點實驗室成員。長期致力于低維材料光電器件領(lǐng)域的研究，主持和參與多項國家自然科學基金、福建省自然科學基金等項目，在 ACS Applied Materials & Interfaces 等期刊發(fā)表多篇高水平論文，為推動低維材料在光電器件領(lǐng)域的應用做出了重要貢獻。

相關(guān)產(chǎn)品推薦

本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司RTS-mini 經(jīng)濟型光纖共焦拉曼系統(tǒng)以及DSR300微納器件光譜響應度測試系統(tǒng)。如需了解相關(guān)產(chǎn)品，歡迎咨詢。

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