中国科学院长春光机所在范德华异质结高响应度、高响应速度、低功耗光电探测研究方面取得重要进展

光电探测器是多种光学和光电应用的核心器件，近日，中国科学院长春光机所发光学及应用国家重点实验室黎大兵研究员、李绍娟研究员与新加坡国立大学仇成伟教授、电子科技大学魏静轩教授合作，报道了一种创新的方法来同步提升光电探测器的响应度和响应速度，为解决探测器响应度和速度相互制衡的领域难题提供了一种新的策略。相关成果以标题为“Photogating－assisted tunneling boosts the responsivity and speedof heterogeneous WSe₂/Ta₂NiSe₅ photodetectors ”发表在Nature Communications上。

近年来，光子集成电路、物联网、自动化等新兴技术的高速发展推动着光电探测器向着高性能、低功耗和多功能的方向变革。以石墨烯为代表的二维材料具有强的光－物质相互作用、可调带隙以及原子级锐利异质界面等优势，此外，与现有半导体产线之间具有很好的兼容性，为实现高性能的光电探测器件提供了一个丰富研究平台。迄今为止，光栅压效应是实现高响应度二维材料光电探测器的主要工作机制，可以实现超高的响应度（10³-10⁷ A/W）。然而，由于材料内部的缺陷态对光生载流子的俘获，导致了长的载流子寿命，从而牺牲了器件的响应速度（通常在毫秒范围），极大地限制了器件在成像等方面的实际应用。截至目前，如何克服响应度和速度之间的权衡问题并拓展光电探测器的功能仍然非常具有挑战性。

研究团队从增益的底层物理出发，从一个新的角度报道了一种WSe₂/Ta₂NiSe₅异质结光电探测器，提出的新的物理机制—光栅压辅助隧穿效应—可以同时提高光探测增益和响应速度。一方面载流子隧穿过程可以大大缩短器件的传输时间，显著提高光电探测增益，可以实现较高的响应度（10³ A/W）。另一方面，通过调控材料内部的陷阱态，也可以缩短载流子寿命，从而实现较快的响应速度（～1µs）。因此同步的调控了光生载流子寿命和渡越时间，改善了器件响应度和速度之间的权衡的问题。

图1．二维异质结构光电探测器中的偏置可调传输行为。a，二维材料光电探测器响应度和速度之间权衡的图示。b，WSe₂/Ta₂NiSe₅异质结构器件示意图。c，暗态下器件的源极－漏极 I－V曲线。d，在白光源照射下，器件在不同源漏偏压V_ds下的转移曲线（I_ds-V_gs）。

在器件功能方面，由于Ta₂NiSe₅材料具有面内各向异性的晶体结构，导致其光生载流子的数量对入射光的偏振方向敏感，体现出偏振各向异性响应。此外，施加的源－漏极偏置可以改变器件在光栅压过程中光生载流子的散射，导致器件的各向异性光响应是偏置可调和波长敏感的。进一步，在简单的双电极配置条件下，利用器件的光响应对偏压和波长的依赖性使我们有望通过扫描偏压来区分不同的波长，在波长分辨等方面的应用具有巨大的发展前景。

图2．WSe₂/Ta₂NiSe₅异质结中光栅压诱导的偏振光响应和波长分辨能力。a-b，不同偏压V_ds 下1310nm照明下的偏振光电流彩色图。WSe2／Ta2NiSe5光电探测器的光响应可以通过V_ds和入射光偏振角θ进行调节。c，1310nm 照明下的偏振光电流。不同偏压下的光电流表现出与偏振角θ相同的依赖性。d，从偏振光电流中提取的偏振敏感部分R₁ (V_ds, l)。 R₁取决于偏置电压V_ds和入射光波长l。e，各向异性比率β，R₁/R₀，从偏振光电流的偏振不敏感（R₀）和敏感（R₁）中提取。f，计算不同波长之间的相关矩阵，相关系数corr{R₁(V_ds, l=l₁), R₁(V_ds, l=l₂)} ，其中l₁ 和 l₂是两个不同的波长。

相关工作成果解决了响应度和速度之间的权衡，并实现宽带可波长分辨的偏振光电探测，为探索新颖的偏振成像、高对比度偏振器、小型光谱仪等片上光电应用提供了可能性。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所是本研究论文的第一通讯单位，中国科学院长春光机所黎大兵研究员、李绍娟研究员、新加坡国立大学仇成伟教授为论文共同通讯作者。中国科学院长春光机所博士生刘明秀，电子科技大学魏静轩教授，中国科学院长春光机所助理研究员戚刘健，为论文共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委创新群体、国家自然科学基金优秀青年科学基金、科技部重点研发计划等项目的资助。

来源：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所