深紫外（DUV）光电探测通常依赖于宽带隙半导体，但在材料生长和掺杂过程中面临挑战。在这项工作中，我们提出并验证了一种基于隧穿势垒调制的光电探测方案，实现了高灵敏度的DUV光电探测。使用二维范德华异质结构，该器件集成了MoS2作为传输层，因为它具有高载流子迁移率和低暗电流，少层石墨烯（FLG）作为光子吸收层，六方氮化硼（hBN）作为电介质势垒。该器件的光响应率为4.4×10E6 A·W-1，比探测率为1.4×10E17。对于250nm DUV光，其对可见光的抑制比R250/R450超过106。与传统的光电探测器不同，截止波长是由隧穿势垒而不是材料带隙决定的。此外，这种光电探测方案已扩展到各种材料，利用不同的电荷传输层（如MoS2、ReS2）、势垒层（如hBN、Al2O3）和光子吸收材料（如FLG、PdSe2、Au、Pd），展示了其广泛的适应性和广泛应用的潜力。此外，该设备已成功用作弱紫外线辐射（0.1μW·cm-2）的功率计，并用于测量太阳紫外线辐照度，结果与气象局的天气报告相匹配。这项工作提出了一种开发高性能DUV光电探测器的有效方法，突出了其在光电市场应用的巨大潜力。相关研究成果以“Tunneling-barrier-controlled sensitive deep ultraviolet photodetectors based on van der Waals heterostructures”为题发表在国际顶级期刊Nature Communications上
https://www.nature.com/articles/s41467-025-56886-8，复旦大学王建禄教授、黄海副教授和方晓生教授为论文的共同通讯作者。光电探测器将光信号转换为电信息，广泛应用于光通信、环境监测、医疗保健和其他各种领域，从而产生了巨大的市场需求。人们已经做出了许多努力来提高在不同波长下工作的光电探测器的响应率和探测率。一般来说，光电探测器的性能取决于多种因素，包括光子吸收、光电子产生和电荷传输过程。虽然光子吸收和光电子产生主要由吸收材料的能带结构决定，但电荷传输不仅受到电子结构的影响，还受到材料质量的影响，包括缺陷和化学掺杂水平。对于大多数探测器，如光电导体、光电二极管，这些过程发生在单一材料中。然而，在单一材料中优化各种因素，包括光谱响应、量子效率、光链和暗电流，仍然是一个挑战，这限制了光电探测器的性能。例如，在追求高性能深紫外（DUV）光电探测的过程中，由于DUV区域的吸收系数降低，硅和砷化镓等具有优异光电性能的传统半导体材料已经变得不合适。超宽带隙半导体，如Ga2O3、金刚石、AlGaN，因其高吸收系数和有效的光谱选择能力，已成为DUV光电探测的有前景的候选者。尽管如此，由于材料生长和化学掺杂的挑战，它们的电性能仍然不足，导致大的暗电流和明显的缺陷相关的持久光电导性，在实际应用中还有很长的路要走。因此，由于难以优化光吸收和电输运特性，高性能DUV光电探测器的发展仍然受到限制。为了应对这一挑战，研究人员提出了一种由不同且分离的光子吸收层和电荷传输层形成的光电探测器件结构。在这种方案下，我们可以避免优化单一材料所有性能的困难。此外，电荷传输层与光子吸收层的分离可以延长光生载流子的寿命，从而显著增加光增益。此外，通过在不同层之间设计隧道势垒，可以使用传统半导体代替宽带隙半导体实现DUV光电探测。在这篇文章中，研究人员使用新兴的二维（2D）半导体异质结构演示了这种隧穿势垒工程DUV光电探测器，其中过渡金属二硫化物（TMDC），如MoS2和ReS2，由于其高载流子迁移率，被用作电荷传输层，直到很少的层极限，FLG、PdSe2和金属薄膜Au和Pd被用于紫外光子吸收率。通过引入介电势垒层（例如hBN、Al2O3）来控制光子吸收层和电荷传输层之间的势垒高度，实现了UVB到UVC光电探测的优异光谱选择性，具有440至300 nm的可调截止波长和超高的光谱抑制比。MoS2/hBN/FLG器件实现了超高的光响应率和比探测率，其性能优于大多数基于宽带隙半导体的光电探测器。此外，该探测器可以用作紫外功率计，显示出在254 nm下测量低至0.1μW·cm−2的弱光的能力，优于商用紫外功率表。它已被用于测量太阳光的紫外线辐照度，结果与气象局的天气报告一致。最终，我们将该设备与带有镜头盖的商用TO-39封装在一起，提高了其灵敏度和响应速度。因此，这项工作为开发具有通用材料的高性能紫外光电探测器开辟了一条道路，对未来的市场应用具有巨大的潜力。IEEE Spectrum
《科技纵览》
官方微信公众平台
' fill='%23FFFFFF'%3E%3Crect x='249' y='126' width='1' height='1'%3E%3C/rect%3E%3C/g%3E%3C/g%3E%3C/svg%3E)
