二維半導體光電探測器的發展、機遇和挑戰

張言蹊

（湖北第二師范學院 湖北 武漢 430205）

1 引言

在20世紀二維半導體是否存在成為一個備受爭議的話題，直至2004年，二維半導體材料制備成功后才開啟了科研人員對二維半導體材料的集中研究，這主要是基于二維半導體特殊的結構和物理性質[2]。隨著二維半導體材料更多功能的發現，如今二維半導體光電探測器開始被應用于人們的日常生活中。

2 二維半導體光電探測器類型

2.1 過渡金屬硫族化合物

過渡金屬硫化物的種類比較多，但當前對二維半導體光電探測器的研究主要集中在二硫化鉬，這主要是由于二硫化鉬在具有良好的光電效應的同時還具有穩定的化學結構以及良好的機械性，這使二硫化鉬材料在電子器件的生產和制造方面有著較為廣闊的前景。同時二硒化鎢材料在光電探測器方面也具有一定的應用潛力，但由于二硒化鎢對于環境的要求比較高，在不同的環境下其光電流效應表現差異非常大，例如：在真空環境下二硒化鎢的響應率只有幾十A/W，而在氨氣環境中卻能夠達到 884 A/W[3]。

2.2 黑磷

黑磷也是近年來備受關注的一類二維半導體光電探測器材料，當前黑磷材料制備技術可以剝離出單層黑磷和多層黑磷，多層黑磷是一種雙極性半導體，具有較高的遷移率，不僅如此，黑磷的電學性能、光學性能等有明顯的各向異性。少層黑磷在成像方面具有重要的應用，少層黑磷能夠接受紅外光信號，并將其進行轉化和成像。黑磷具有良好的特性，在二維半導體探測器方面的應用具有較大的潛力，但當前黑磷結構不穩定制約了其發展和應用前景，黑磷在空氣中容易吸水并與氧氣發生反應，在黑磷表面生成新的化學物質，而新化學物質的生成會極大地影響黑磷在各方面的性能，因此在今后的黑磷研究過程中，需要注重對于黑磷鈍化或者包裹方面的研究，使得黑磷在發揮良好性能的同時，不容易與其他物質發生反應，延長黑磷使用的時長。

2.3 其他二維半導體材料

隨著對二維半導體材料的深入研究，很多其他材料也開始被發現，并被納入二維半導體材料的研究范疇，如第三主族金屬硫化物，第四主族金屬硫化物等，這些材料經過相關實驗數據證實在二維半導體的應用方面也具有較大的潛力。

盡管當前的二維半導體材料種類比較豐富，但各種二維半導體材料都具有其優勢，同時也具有缺陷，例如：黑磷雖然具有良好的光電效應性能，但是黑磷本身卻并不穩定，很難在實際中得到應用。除此之外，在當前的研究過程中，對于選用何種材料應用到探測器的制造中非常關鍵。

3 改進二維半導體光電探測器性能措施

3.1 等離子體天線

等離子金屬納米天線結構增強光吸收通常有以下兩種方式：首先是金屬納米結構局域表面等離子體引起金屬傳導電子共振，極大地增強了局域電磁場，提高了半導體對光的吸收；其次是金屬納米天線充當亞波長散射單元，并且能夠耦合和捕獲入射光的平面波等。除了增強光吸收之外，等離子體光學天線納米結構中共振激發的表面等離子體的衰退能產生熱電子，并將熱電子注入半導體材料中，從而提高光電探測器性能。

3.2 光波導

光波導也是一種有效提高光吸收的手段。光波導引導光在介質中傳播，介質可以吸收波導邊界處的消逝場，并產生電荷-空穴對，從而提高光電流.異質結光波導光電探測器便是利用光波導手段進行設計的，整個器件設計到硅絕緣層表面，通過將石墨烯集成到硅光波導表面，并在兩端設計了一些懸空的模板波導用來避免氧化物對中紅外光的吸收，有效提升了材料的光電效應。

3.3 光學共振腔

光學共振腔中提高入射光的強度，由于光的反射和相干，腔體中的電場會大大加強，這種方法在光通信領域有很好的應用前景，然而這種光學共振腔往往只能在很窄的帶寬下增大光強。除此之外二維半導體材料由于自身的元素空位、雜質和表面污染等影響，往往存在較多的缺陷態，這些缺陷態將載流子捕獲，降低了電子-空穴的復合速率。因此，二維半導體材料響應速度往往較慢，通常在毫秒量級，難以滿足如高速成像和遠程通信等對響應速度要求較高的領域方面的應用，設計光電二極管可能是最常用的提高響應速度的方案，由于界面處內建電場的存在，減少了載流子的傳輸時間，提高了響應速度。

4 二維半導體光電探測器研究展望

隨著科研人員對于二維半導體的深入研究，越來越多有潛力成為良好的二維半導體探測器制作的材料被挖掘出來，使探測器的制作材料有了更多的選擇，然而當前二維半導體材料最大的問題是目前沒有找到一種二維半導體材料及制作方式，能夠使得材料在不同的環境下都能夠保持穩定的化學結構和良好的電熱性能，因此在今后的二維半導體研究中，相關科研人員需要從以下方面著手：首先科研人員需要不斷繼續尋找新的具有良好性能的二維半導體，其次需要研究增強二維半導體材料各方面性能的制備技術，使得當前已發現的二維半導體材料能夠克服缺陷，獲得更為廣闊的發展和應用空間；最后需要采用采用一些光學手段，如等離子技術、光波導、光學諧振腔等提高二維半導體材料對光的吸收。