面向长波红外探测的硒化物半导体范德瓦尔斯异质结能带剪裁

The in-situ growth of PbSnSe/MSe2Van der Waals heterostructures is proposed in the project for long-wavelength Infrared (LWIR) detection. The energy gap of PbSnSe thin films will be adjusted by the composition of Sn to fulfill the absorption of LWIR irradiation. The misaligned energy band structure of PbSnSe/MSe2 heterojunctions will be fabricated by modifying the metallic composition M in MSe2 thin films. Then heterostructure transistors will be made. The effect of interface between PbSnSe and MSe2 on performance of the heterostructure photodectectors will be summarized. The research will be benefit to the development of LWIR photodetectors.

本项目以长波红外探测为背景，拟在晶圆级MSe2薄膜近空间升华制备的基础上，采用分子束外延生长拓扑晶体绝缘体PbSnSe薄膜；通过Sn组份的变化，实现PbSnSe薄膜红外吸收带边及表面电子能态的有效调控；在界面能带计算基础上，通过MSe2薄膜中M组份的调控，构造出禁带错位型Ⅱ类界面的PbSnSe/MSe2范德瓦尔斯（VdWs）异质结，并研制异质结光敏晶体管，总结出界面结构、界面能带对异质结光敏晶体管光电响应特性的影响规律，探索出界面特性的有效控制方法，为长波红外探测器的研制奠定基础。

项目以航空航天用长波红外相机研制为需求背景，针对HgCdTe长波红外探测材料的技术缺陷，拟通过窄禁带半导体PbSnSe与二维材料构筑范德华异质结，规避PbSnSe介电常数偏高的材料物性缺陷，发展出新的长波红外探测技术路线。.项目原本计划开展PbSnSe/MSe2范德华异质结构筑及其红外探测器件研制，在完成预定研究内容后，虽然结果显示：PbSnSe/MoSe2范德华异质结确实表现出光生伏特效应，可以用于长波红外探测器件的研制，但因难以有效解决晶圆级MoSe2薄膜的制备难题，所制备晶圆级MoSe2薄膜的载流子迁移率偏低，PbSnSe/MoSe2范德华异质结红外光电探测器件的综合性能指标并不好。.为此，项目拓展了研究内容，采用迁移率较高的石墨烯和Bi2Se3代替MoSe2，通过PbSnSe/石墨烯及PbSnSe/Bi2Se3异质结的原位构筑，不仅成功规避了因PbSnSe介电常数偏高所导致红外光电探测器响应速度偏慢的技术缺陷，所研制异质结红外探测器响应时间常数达到亚毫秒量级，完全可满足绝大部分成像应用场景的技术要求，且在同等条件下，PbSnSe/石墨烯及PbSnSe/Bi2Se3异质结的静态光电响应特性可HgCdTe器件相媲美，探索出了一条红外探测的可行方案，实现了预定研究目标。其中，因可在同一设备中完成PbSnSe/Bi2Se3异质结原位构筑，从产业角度看，PbSnSe/Bi2Se3异质结更具技术开发价值。.目前，PbSe/Bi2Se3异质结光敏二极管已具备红外焦平面阵列成像芯片研发的技术条件，并正在推进基于异质结光敏二极管的阵列器件研制及其综合性能考核，但基于PbSe/Bi2Se3异质结的光敏晶体管仍存在性能缺陷，主要表现为：暗电流仍然偏大，对于单元器件而言，也许不是什么大问题，但对于百万像素等级成像芯片而言，这将导致芯片静态功耗偏大，并不理想，为此，项目组后续研究仍在进一步探索其改进方案。