文章名稱：A High-Speed Image Sensor Based on Large-Area MoTe2/Si Photodiode Arrays

期刊名稱：Advanced Optical Materials IF：8.0

DOI: https://doi.org/10.1002/adom.202400547

【引言】

在寬帶光電探測(cè)器的研究領(lǐng)域中，科研人員致力于解決將二維材料（例如二硒化鉬（MoTe₂））直接生長(zhǎng)于三維硅基板上的技術(shù)難題。此項(xiàng)技術(shù)的目標(biāo)在于解決2D-3D異質(zhì)結(jié)整合時(shí)所遇到的多重障礙，包括晶格不匹配、界面狀態(tài)以及材料相容性等課題。過(guò)往通過(guò)轉(zhuǎn)移技術(shù)應(yīng)用2D材料，雖可保留其固有性質(zhì)，但此法在擴(kuò)展性和工藝整合方面常顯不足。通過(guò)研發(fā)直接外延生長(zhǎng)的方法，研究人員期望達(dá)成高效且成本效益高的寬帶光電探測(cè)器陣列。此舉不僅促進(jìn)光電探測(cè)器在光通訊、影像技術(shù)及環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的推廣，還與現(xiàn)行的硅基集成電路生產(chǎn)流程兼容。然而，要實(shí)現(xiàn)此技術(shù)，需克服均質(zhì)性、晶體品質(zhì)以及光電轉(zhuǎn)換效率等核心技術(shù)難點(diǎn)，這為材料科學(xué)及半導(dǎo)體制造工藝帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)與要求。

近日，復(fù)旦大學(xué)相關(guān)課題組利用小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫光刻系統(tǒng)-MicroWriter ML3成功解決了在硅基板上直接外延生長(zhǎng)MoTe₂薄膜的挑戰(zhàn)，通過(guò)創(chuàng)新的固態(tài)相變和重結(jié)晶過(guò)程，成功制造了高質(zhì)量的2H-MoTe₂/Si 2D-3D異質(zhì)結(jié)光電二極管陣列，實(shí)現(xiàn)了100%的器件成品率。其成就包括：光電二極管展示了快速的光響應(yīng)、高靈敏度和出色的探測(cè)能力，并通過(guò)使用卡通“兔子”影像掩模板證明了其在可見光和近紅外光下的成像性能。這項(xiàng)工作為將2D材料與現(xiàn)有硅基技術(shù)整合提供了一條新穎且成本效益高的途徑。相關(guān)研究成果以《A High-Speed Image Sensor Based on Large-Area MoTe₂/Si Photodiode Arrays》為題，發(fā)表于SCI期刊《Advanced Optical Materials》上。

文中采用的小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫光刻系統(tǒng)-MicroWriter ML3無(wú)需掩膜板，可以在非傳統(tǒng)基底上迅速實(shí)現(xiàn)高精度的光刻任務(wù)，能夠滿足科研中對(duì)光刻和套刻的不同需求，為各類研究中微納器件的優(yōu)化和迭代提供了保障，助力并加快了相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)度。

小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 硅基底上2H-MoTe₂薄膜材料的特性表征。a) MoTe₂的拉曼光譜，其中也有硅的拉曼峰。b) MoTe₂的XPS光譜，顯示了Te_3d（藍(lán)色）和Mo_3d（紅色）峰。c) 所制備的MoTe₂/Si異質(zhì)結(jié)的AFM表征結(jié)果。d) 2H-MoTe₂薄膜橫截面的TEM圖像。e) MoTe₂/Si光電二極管制造過(guò)程的示意圖。

圖2. 光電子傳輸機(jī)制與I-V曲線表征。a)在無(wú)光照條件下，MoTe₂/Si光電二極管陣列的I-V特性。橙色和藍(lán)色曲線分別對(duì)應(yīng)對(duì)數(shù)坐標(biāo)和線性坐標(biāo)。插圖：2H-MoTe₂/Si光電二極管的結(jié)構(gòu)圖。b)在32 × 32光探測(cè)器陣列中隨機(jī)選取的64個(gè)探測(cè)器， Vbias從-1.5到-0.5V的范圍內(nèi)的I-V曲線。c)在無(wú)光照條件下，不同電壓下對(duì)應(yīng)的電阻的變化。d)在無(wú)光照條件和900 nm波長(zhǎng)光源的光照下MoTe₂/Si光電二極管的I-V特性圖。e)2H-MoTe₂/Si異質(zhì)結(jié)的能帶圖(i)平衡態(tài)，(ii)無(wú)光照條件下的反向偏壓，以及(iii)在光照下的反向偏壓。

圖3. MoTe₂/Si 2D-3D異質(zhì)結(jié)光電二極管的光電子特性。a) MoTe₂/Si光電二極管在黑暗中和在不同照明波長(zhǎng)（從300 nm到1200 nm，步長(zhǎng)為100 nm）下的I-V特性曲線。b) I-V特性曲線以對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示。c) 在900 nm波長(zhǎng)光源光照下，MoTe₂/Si光電二極管在不同照明強(qiáng)度的I-V特性曲線變化。d) 以對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的I-V特性曲線。e,f)在不同光照波長(zhǎng)和強(qiáng)度下的響應(yīng)度(R)和探測(cè)率(D*)值的變化。

圖4. MoTe₂/Si光電二極管的光電電流響應(yīng)特性。a)和b)不同波長(zhǎng)和光照強(qiáng)度下，器件的電流響應(yīng)特性。c,d)高速光脈沖條件下的電流響應(yīng)特性。e)電流上升和下降過(guò)程的示意圖。f)剛制備的MoTe₂/Si光電探測(cè)器的相應(yīng)電流與存儲(chǔ)6個(gè)月后的器件的性能的比較結(jié)果。

圖5. 視覺圖像傳感系統(tǒng)和光電探測(cè)器陣列。a)用于光電探測(cè)器陣列的成像測(cè)量系統(tǒng)示意圖。b)使用圖像傳感器通過(guò)光學(xué)模板投影進(jìn)行圖像捕捉的示意圖解。c) 制備的32 × 32像素圖像傳感器的光學(xué)顯微圖像及其放大圖。d)像素陣列對(duì)不同波長(zhǎng)光的響應(yīng)結(jié)果，(i) 紅光（650 nm）、綠光（550 nm）、藍(lán)光（450 nm），(ii) 900 nm近紅外光，和(iii) 1100 nm近紅外光。

【結(jié)論】

綜上所述，復(fù)旦大學(xué)相關(guān)課題組成功研制了一種創(chuàng)新的MoTe₂/Si 2D-3D異質(zhì)結(jié)，致力于高速寬帶光電二極管的應(yīng)用，并對(duì)其光響應(yīng)特性進(jìn)行了全面研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該光電二極管具有優(yōu)秀的性能，具體表現(xiàn)為521.1 mA/W的響應(yīng)度，1.17 × 1011 Jones的探測(cè)率，響應(yīng)時(shí)間小于4 ms，光響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為300至1100 nm。我們還證實(shí)了MoTe₂/Si光電二極管陣列的高度均勻性和100%的有效像素率。該設(shè)備的高性能主要?dú)w功于高純度的2H-MoTe₂單晶材料以及與硅基板之間界面缺陷的顯著減少。通過(guò)采用非對(duì)稱電極設(shè)計(jì)，成功增強(qiáng)了異質(zhì)結(jié)內(nèi)部的電場(chǎng)效應(yīng)。此外，本研究構(gòu)建了成像系統(tǒng)，并成功獲取了32 × 32像素陣列的清晰光響應(yīng)圖像。這項(xiàng)研究為2D-3D異質(zhì)結(jié)構(gòu)在高速寬帶光檢測(cè)器應(yīng)用中開辟了新的技術(shù)路徑。