近日，中國科學院上海技術(shù)物理研究所胡偉達、苗金水團隊與北京大學彭海琳團隊合作，在Science Advances期刊上發(fā)表了題為“Momentum-matching and band-alignment van der Waals heterostructures for high-efficiency infrared photodetection”的最新論文，該論文中提出將動量匹配和能帶匹配（能動量匹配）的范德華異質(zhì)結(jié)應用于紅外探測以提高二維材料紅外探測器的量子效率（QE），為研制高量子效率紅外探測器提供了新方法。

圖1 BP/Bi2O2Se范德華紅外探測器結(jié)構(gòu)和BP/Bi2O2Se界面示意圖

具有高量子效率的紅外光電探測器可應用于超微弱光檢測和量子通信。然而，量子效率在很大程度上受到紅外吸收體的吸收率和缺陷復合以及光生載流子收集的限制，這嚴重阻礙了高量子效率紅外光電探測器的制造和進一步研發(fā)。因此，研究人員總是優(yōu)先選擇具有高光電轉(zhuǎn)換效率的直接帶隙半導體。然而，昂貴的生長工藝、低溫的工作條件和有毒元素等技術(shù)缺陷仍然限制了傳統(tǒng)材料不斷擴大的應用空間。此外，在基于傳統(tǒng)塊體材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，如何同時滿足晶格匹配和能帶匹配的要求仍然是一個挑戰(zhàn)。

二維層狀材料為紅外探測技術(shù)提供了新的機遇，因為它們具有自然鈍化的表面，可以堆疊成范德華（vdW）異質(zhì)結(jié)構(gòu)，而無需進一步考慮晶格匹配。然而，由于其原子級薄層特性，限制了它們在高量子效率紅外探測器的應用。為此，研究人員提出了一些研究策略，包括利用光波導、光諧振器和表面等離子體激元等，以增強二維光電探測器的量子效率，但以犧牲器件的集成度和窄光譜響應為代價。

動量匹配范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以支持在k空間中直接的層間躍遷，而無需考慮直接或間接帶隙半導體，其中一個半導體的價帶最大值（VBM）和另一個半導體的導帶最小值（CBM）集中在布里淵區(qū)的k空間。胡偉達研究員說：“因此，動量匹配的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅可以提高光載流子的生成率，而且還可能拓寬光譜響應的范圍。”

它還可以通過低晶格錯配散射和無缺陷雜質(zhì)減少界面復合。重要的是，在紅外光探測中，合理的波段排列對優(yōu)化光載流子的產(chǎn)生、抑制復合和改善光載流子的收集，實現(xiàn)高量子效率具有重要意義。研究人員期望的是沒有電子和空穴勢壘的II型能帶匹配結(jié)構(gòu)。

在本論文研究中，作者們創(chuàng)新性地將新型能動量匹配范德華異質(zhì)結(jié)應用于紅外探測器技術(shù)。研究顯示，二維半導體黑磷（BP）的價帶頂和硒氧化鉍（Bi2O2Se）的導帶底位于布里淵區(qū)的Γ點（圖2a），光生載流子在界面處能直接躍遷到BP和Bi2O2Se的導帶，提高了光生載流子的躍遷幾率和產(chǎn)生率。BP和Bi2O2Se形成了完美的Ⅱ類能帶結(jié)構(gòu)（圖2b），進而提高了光生載流子的收集效率。本研究制備的能動量匹配BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器實現(xiàn)了與傳統(tǒng)材料紅外探測器相比擬的量子效率，在1.3μm時量子效率達到84%，在2μm時量子效率達到76.5%（圖2c）。此外，該BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器實現(xiàn)了較高的偏振特性，在短波紅外波段偏振比達到17（圖2d）。

圖2 動量匹配與能帶匹配的范德華紅外探測器

（a）動量匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)能谷結(jié)構(gòu)示意圖；（b）能帶匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)示意圖；（c）能動量匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器的量子效率；（d）能動量匹配的BP/Bi2O2Se異質(zhì)結(jié)紅外探測器的偏振特性。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中科院、上海市自然科學基金的支持。

論文信息：

https://doi.org/10.1126/sciadv.abq1781