近日，華中科大大學物理學院引力中心團隊成員王順教授帶領的量子器件課題組以“An Ultrafast WSe2Photodiode Based on a Lateral p‑i‑n Homojunction”為題在美國化學學會旗下納米材料領域的頂級期刊《美國化學學會 納米》（ACS Nano）上發表論文，物理學院副研究員張有為、碩士研究生馬衎衎為本文共同第一作者。王順教授與復旦大學仇志軍教授為論文的通訊作者。
過渡金屬硫族化合物(TMDs)由於其較強的光與物質相互作用、可見-近紅外光譜範圍內的可調帶隙以及較高的載流子遷移率而在光電器件的研究中備受關注。在光電器件領域，基於p-n結的光電二極管具有響應速度快、光響應線性度高、噪聲低和功耗低等優點。但受限於高質量p-n結和低接觸電阻的製備，前人報道的TMDs基光電二極管性能尚有很大提升空間。
在器件製備中採用了兩步光刻工藝，在沉積金屬電極之前，採用O2和Ar等離子體分別引入p型和n型摻雜，同時在光刻膠的保護下，中間的WSe2溝道保持其本徵特性，從而形成了完整的橫向p-i-n同質結。等離子體處理後，再採用電子束蒸發沉積金屬電極，最終去膠完成器件製備。
在對基於WSe2的二極管進行電學表徵之前，首先對錶面等離子體處理引起的摻雜進行了表徵。由圖2的轉移特性曲線可以看出，p型和n型器件均表現出清晰的單極性輸運特性，這表明等離子體處理引起的p型和n型摻雜是成功的，並且在Vds從-100 mV到100mV範圍內的輸出特性曲線顯示出近乎完美的線性，表明兩種摻雜均形成了良好的歐姆接觸。
對於p-i-n結構，正如預期的那樣，實現了具有均衡n型傳導和p型傳導的雙極性輸運特性，如圖3a所示。在沒有柵極偏置的情況下，該二極管表現出了很強的整流性能，實現了2.2×10-11A (-1.5 V)的微小反向飽和電流以及2.7×10-5A (1.5 V)的高正向電流，整流比高達1.2×106，理想因子n為1.14。
除了上述整流行為外，該橫向p-i-n結二極管展現出了出色的光電性能。在零偏壓下呈現出非零的短路電流(Isc)，當最大測量光強3.3 mW•cm-2時，Isc可達到0.57μA。同時，Isc與功率密度P呈明顯的線性關係而開路電壓(Voc)與P呈非線性關係，表明器件的光電響應主要來源於光伏效應。此外，由於該二極管光電流與光強呈線性關係，以至於響應度幾乎保持恆定。零偏壓下的空間分辨光電流圖像(SPCM)顯示光電流源於整個WSe2溝道，證實了本徵WSe2區域被完全耗盡，光響應區域覆蓋了整個WSe2溝道，從而提供了光生載流子的良好收集效率和相應的強光伏效應。
對於基於TMDs的光電探測器，響應時間一般為10-5s至102s，很少有報道重複光開關特性具有數百納秒級的響應時間。而此二極管光電響應的上升和下降時間τr和τf分別短至264 ns和552 ns，測量得出3 dB帶寬f-3dB=1.9 MHz。這主要益於器件的p-i-n結構使得器件結電容極其小同時由於摻雜區被金屬電極覆蓋不參與光吸收過程，因此能夠避免較慢的光生載流子擴散過程，以及由於摻雜劑或摻雜過程引入的缺陷態而導致的光生載流子的俘獲/去俘獲，使得光生載流子在結區電場下的漂移過程成為限制器件帶寬的唯一主要因素。正因為具有上述優點，該多層WSe2p-i-n光電二極管首次將TMDs基光電器件帶寬提升數個數量級級至MHz以上。
以上研究工作得到國家自然科學基金的資助。
來源：華中科技大學
文章鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.0c08075
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