晶圆级二维 MoTe2 层可实现高灵敏度的宽带集成红外探测器

       随着红外光电探测器在各种科技领域的广泛应用,比如目标识别、远程监控、气体传感等，对红外光电探测器的性能、成本提出了更高的要求。目前，最先进的红外光电探测器主要基于In1-xGaxAs、InSb 和 Hg1-xCdxTe等传统窄带隙半导体材料，工作波长分别在短波红外（SWIR，1-3 µm）、中波红外 （MWIR，3-6 µm）和长波红外（LWIR，6-15 µm）。

       重要的是，这些光电探测器不仅依赖于原材料的高温生长过程和复杂的加工工艺，而且还受到低温冷却条件下的耗时和高功耗的影响。此外，互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容性差、模块体积大和效率低等挑战也严重制约了探测器的广泛应用。

       为了解决这个问题，郑州大学的吴迪教授和李新建教授、加州大学圣地亚哥分校的曾龙辉博士和苏州大学的揭建胜教授设计了一种一条简便的热辅助碲化路线，用于晶圆级相控二维MoTe2层的范德华（vdW）生长。第二类外尔（Weyl）半金属1T′-MoTe2层被直接沉积在预制的Si衬底上，在原位制造出1T'-MoTe2/Si垂直肖特基结。高质量的肖特基结界面和带有石墨烯电极的垂直器件结构确保了有效的载流子传输并减少了载流子的重组，使该探测器实现了高达10.6µm的超宽带探测范围和在中红外区域超过108琼斯的室温特定探测率。晶圆规模的二维MoTe2层使得集成器件阵列能够成功实现高分辨率、非制冷的中红外成像。

图1 a石墨烯/1T'-MoTe2/Si 肖特基结器件的示意图； b 在宽光谱带中脉冲光照明的时间依赖性光响应特性； c Gr/1T'-MoTe2/Si 肖特基结器件与其他器件的室温比检测率比较。

       研究中，作为前驱体的预沉积Mo薄膜通过直接热辅助碲化过程的vdW生长机制被转化为二维MoTe2层。实际上，MoTe2的相变高度依赖于生长时间。通过控制生长时间，分别获得2英寸的2H和1T?- MoTe2层，且均匀性良好。凭借便捷和可扩展的热辅助碲化策略，二维MoTe2层的厚度可以通过调整初始Mo膜厚度来精确调整。

       大面积二维 MoTe2 层的 vdW 生长使得高灵敏光电器件的设计更加灵活。鉴于此，研究团队通过在预制的Si基底上原位生长1T?-MoTe2层，成功制作了 1T'-MoTe2/Si 垂直肖特基结器件。为了确保有效的载流子收集，他们采用单层石墨烯与 1T'-MoTe2 层的顶部透明接触。经测试，这款光电探测器具有高灵敏度的自供电超宽带探测性能，探测范围高达 10.6 µm，且在MIR 范围内的室温比探测率很大，超过108琼斯，探测率比大多数的商用探测器还要高。

图2  a 单像素红外成像系统示意图； b 室温下 10.6 μm 下的“LWIR”图案的红外成像； c 基于器件阵列的红外成像测量示意图。；d 8×8 1T'-MoTe2/Si 肖特基结器件阵列的照片。 e-g 3.0μm、4.6μm和10.6μm波长下的心形图像的成像结果。

       鉴于该团队所研发的光电探测器卓越的红外探测能力，他们进一步研究了 Gr/1T'-MoTe2/Si 肖特基结器件的室温红外成像。室温环境中，采用波长为10.6µm的红外光照，从单个探测器中获得了电流对比度超过10的大电流图案和尖锐边缘的光电流映射图像。 此外，大规模均匀的二维 MoTe2 层令该团队能够制造出一个8×8的1T?-MoTe2/Si肖特基结器件阵列，用于红外成像应用。

       在 MIR 激光照射下，暴露和未暴露的像素的电流之间的巨大差异获得了高分辨率的心形图像。室温环境中，在波长为3.0µm、4.6µm和10.6µm的激光照射下，电流比分别为100、68和51。MIR 成像因其出色的室温成像能力和良好的器件阵列均匀性，展现出了广阔的应用前景。与硅技术兼容的二维MoTe2层的晶圆级生长具有低功耗、低成本的优势，在新一代硅基CMOS系统中拥有的巨大潜力。