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摘要

近年来, 二维过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides, TMDCs)由于其出色的电学和光学特性在光电探测领域被广泛研究. 相比于报道较多的场效应晶体管型以及异质结型器件, 同质结器件在光电探测方面具有独特优势. 本文将聚焦基于TMDCs同质结的光电探测器的研究, 首先介绍同质结光电器件的主要工作原理, 然后以载流子调控方式为分类依据总结TMDCs同质结的几种制备方法及其获得的电学和光电性能. 此外, 本文还对同质结器件中光生载流子的输运过程进行具体分析, 阐述横向p-i-n结构具有超快光电响应速度的原因. 最后对基于TMDCs同质结的光电探测器的研究进行总结与前景展望.

关键词:

Abstract

In recent years, two-dimensional transition metal chalcogenides (TMDCs) have been widely studied in the field of photodetection due to their excellent electronic and optical properties. Compared with the more reported field-effect transistor and heterojunction devices, homojunction devices have unique advantages in photodetection. This article focuses on the researches of photodetectors based on the homojunctions of TMDCs. First, the working principle of homojunction optoelectronic device is introduced. Then, the reported TMDCs based homojunctions are classified and summarized according to the adopted carrier modulation techniques. In addition, this article also specifically analyzes the transport process of photogenerated carriers in homojunction device, and explains why the lateral p-i-n homojunction exhibits fast photoresponse speed. Finally, the research progress of the TMDCs based homojunction photodetectors is summarized and the future development is also prospected.

Keywords:

作者及机构信息

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通信作者:张有为,youweizhang@hust.edu.cn

作者简介:

张有为, 2008年本科毕业于厦门大学材料科学与工程专业; 2016年博士毕业于复旦大学微电子与固态电子学专业; 毕业后赴瑞典乌普萨拉大学从事博士后研究; 2018年至今任华中科技大学物理学院副研究员, 博导; 目前主要从事基于低维材料体系的新型纳米电子器件研究, 包括器件工艺, 电学特性, 光电探测等方面. 在国际顶尖期刊ACS Nano,Small,Advanced Optical Materials,Nano Research,Nanophotonics,Scientific Reports,Organic Electronics,IEEE Electron Device Letters,Journal of Physical Chemistry C等发表文章20余篇, 其中包括物理学科ESI高被引论文1篇. 相关器件设计与工艺方面的研究成果已申请并授权国内发明专利12项. 主持国家、省、市级科研项目4项

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 12074134)、深圳市科技计划(批准号: JCYJ20180507183904841, GJHZ20200731095203009)和湖北省自然科学基金(批准号: 2020CFB406)资助的课题

Authors and contacts

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Corresponding author:Zhang You-Wei,youweizhang@hust.edu.cn

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 12074134), the Shenzhen Science and Technology Project, China (Grant Nos. JCYJ20180507183904841, GJHZ20200731095203009), and the Natural Science Foundation of Hubei Province, China (Grant No. 2020CFB406)

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材料	器件结构	载流子调控方式		整流比	理想因子	光源波长/nm	偏置电压 V_pn/V	响应度/ mA·W^–1	比探测率/ Jones	响应时间		文献
材料	器件结构	n型	p型	整流比	理想因子	光源波长/nm	偏置电压 V_pn/V	响应度/ mA·W^–1	比探测率/ Jones	上升/ms	下降/ms	文献
单层WSe₂	横向p-n	正栅压	负栅压	10⁵	1.9	532	2	210	—	—	—	[38]
单层WSe₂	横向p-n	正栅压	负栅压	—	2.14	532	–1	0.7	—	10.4	9.8	[41]
多层MoTe₂	横向p-n	铁电极化	铁电极化	5×10⁵	2	520	0	5	3×10¹²	0.03	0.045	[52]
多层MoS₂	横向p-n	铁电极化	铁电极化	10⁵	1.7	532	0	15	—	0.01	0.02	[54]
少层MoTe₂	横向p-n	UV诱导电场	UV诱导电场	10³	2.1	532	0	160	—	2	2	[57]
多层MoS₂	横向p-n	—	AuCl₃	60	1 (V_g= –40 V)	500	1.5	5070	3×10¹⁰	100	200	[58]
少层MoS₂	垂直p-n	BV	AuCl₃	100	1.6	655	–1	30	—	—	—	[59]
少层WSe₂	横向p-n	N₂H₄	—	~10³	—	470	–5	30	6.18×10⁸	2	2	[60]
多层WSe₂	横向p-n	N₂H₄	—	10⁵	1.1	635	–5 (V_g= –40 V)	468	2.5×10⁹	4	4	[37]
少层MoSe₂	横向p-n	PPh3	MoO_x(退火)	10⁴	1.2	532	0	1300	—	—	—	[61]
多层WSe₂	横向p-n	PEI	负栅压	10³	1.66	520	0	80	10¹¹	0.2	0.06	[63]
少层WSe₂	横向p-n	CTAB	—	10³	1.64	450	–1.5	3×10⁴	10¹¹	7.8	7.7	[64]
多层WSe₂	横向p-n	—	N₂O plasma	10⁶(V_g= –60 V)	3.1	520	1	2490	—	8	30	[66]
多层WSe₂	横向p-n	—	WO_x(O₂Plasma)	—	—	520	1	250	7.7×10⁹	41.8	2289.8	[67]
多层WSe₂	横向p-n	正栅压	WO_x(laser)	—	—	633	0	800	—	0.136	0.039	[69]
多层MoTe₂	垂直p-n	DUV(N₂)	—	10⁴	1.05	530	0	850	—	—	—	[70]
多层MoTe₂	横向p-n	DUV(N₂)	—	2.5×10⁴	~1	850	0	5500	—	29	38	[71]
少层MoS₂	垂直p-n	元素掺杂(Fe)	元素掺杂(Nb)	—	~2.5	660	0	25	—	80	80	[86]
单层MoS₂	横向n⁺–n	PSS诱导缺陷修复(n⁺)	—(n)	~150	1.6	575	0	308	—	810	750	[91]
双层MoS₂	垂直n⁺–n	PSS诱导缺陷修复(n⁺)	—(n)	72	1.6	532	0	54.6	—	3100	3800	[92]
多层WSe₂	横向p-i-n	WSe_2–_y (Ar Plasma)	WO_x(O₂plasma)	10⁶	1.14	450	0	105	2.2×10¹³	0.000264	0.000552	[68]
MoS₂	横向单层-多层	—	—	10³(V_g= 10 V)	1.95(V_g= 5 V)	470	—	10⁶	7×10¹⁰	2	2000	[93]

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