新型结构及应力工程在大面积二维CVD-TMDs光电探测器中的应用研究

Thanks to the atomically thin profile, tunable bandgap, flexibility and large area of growth, new emerging two-dimensional (2D) materials based photodetectors demonstrate promising application potentials in next generation of photodetectors. So far, 2D TMDs based photodetectors have attracted widely attention and study, but still remain some key issues and technique challenges, such as low carrier mobility (particularly for CVD-grown 2D materials), slow temporal response and low sensitivity. This project will focus on these issues, aiming to improve carrier mobility by strain engineering, and to enhance the response speed and sensitivity through modulating carrier transport characteristics and introducing photo-gain mechanism by designing and fabricating novel device architectures (including lateral, vertical and hybrid structures). Through the implementation of this project, we pursue to achieve original technique means and novel architectures, to settle a good research foundation for realizing the fabrication of large area of 2D CVD-TMDs based photodetectors with fast speed, high sensitivity, broadband and low cost, finally promoting the large scale of practical applications in 2D photodetectors.

由于具有原子层厚度、可调控带隙、机械柔韧性和大面积生长等优势，新兴起的基于二维半导体的光电探测器显示出其在下一代光电探测技术领域中的巨大应用前景。当前，基于二维过渡金属硫族化物（TMDs）的光探测器得到人们的广泛关注和研究，但依然面临着一些关键问题和技术挑战，如较低的载流子迁移率（尤其是大面积CVD生长的材料）、较慢的响应时间和较低的灵敏度等。本项目的研究工作将主要针对这些问题，利用应力工程来进一步提高材料迁移率，通过设计制备新型器件结构（包括横向、垂直和混合型结构）来调控载流子输运特性并引入光增益机制，从而提高器件响应速度和灵敏度等。通过本项目的实施，争取获得原创性的技术手段和新型结构，为实现基于大面积二维CVD-TMDs的快响应、高灵敏、宽波谱和低成本的光电探测器制备，推动二维光电探测器的大规模实际应用奠定良好的研究基础。

项目研究工作围绕大面积生长的过渡金属硫族化物等二维半导体，针对光电器件中较低的载流子迁移率、较慢的响应时间和较低的灵敏度等问题，利用应力工程来进一步提高材料迁移率，设计制备了多种新型器件结构，引入光增益机制和压光电效应，提高了器件响应速度和灵敏度等。通过项目的实施，获得了原创性的技术手段和新型结构，实现了快响应、高灵敏、宽波谱的光电探测器，为进一步的实际应用奠定了基础。项目共发表SCI学术论文8篇，申请国家发明专利4项。具体工作包括：. （1）采用CVD法制备了大面积的单层MoS2，通过缺陷钝化和应力工程，提高了载流子迁移率至62.5cm2/Vs，光电探测器件的探测率达到10E12Jones；（2）利用物理气相沉积（PVD）方法，生长了大面积的二维单层WS2，并首次发现了单层WS2具有优良的压电效应；（3）在一维SnO2微米线中发现了强烈各向异性的偏振拉曼光谱和角分辨的光电流，并通过应力工程，实现了优良的压电特性；（4）使用物理气相沉积方法制备了一种空气稳定的高迁移率二维碲（Te）薄片。制造的原型场效应晶体管在室温下迁移率高达1485cm2/Vs；（5）开发了一种简便的化学处理方法，提高了Bi2S3光电探测器的响应速度，并扩展红外波谱覆盖范围，比探测率在1.6μm处达到10E12Jones；（6）首次发现了二维Bi2O2Se声子模式的强烈各向异性，通过构建多层异质结，获得了极化灵敏光电探测器，具备宽波谱、高响应度、快速度和高灵敏度等优良性能。总之，本项目通过设计新型器件结构和应力工程，解决了一些关键问题，实现了高性能光电探测器，推动了低维光电子领域的应用发展。