晶圆级二维MoTe₂层的相位控制生长，助力宽带红外光电探测

MEMS 2023-11-28 00:01

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对于从基础科学到工业用途的广泛应用来说，能够感知宽带红外光是至关重要的。二维（2D）拓扑半金属由于其无间隙电子结构和线性能量色散关系而被广泛用于宽带红外探测。然而，这些半金属的低电荷分离效率、高噪声水平和片上集成困难严重阻碍了它们进一步的技术应用。

近日，苏州大学揭建胜团队展示了一种简单的热辅助碲化途径，用于晶圆尺度相控二维MoTe₂层的范德华（vdW）生长。重要的是，ii型Weyl半金属相（1T '）-MoTe₂具有独特的正交晶格结构，还具有破碎的反转对称，可确保有效的载流子输运，从而减少载流子复合。这一特性是设计良好的1T '-MoTe₂/Si垂直肖特基结光电探测器的关键优点，它具有高达10.6 µm的超宽带探测范围和超过10⁸ Jones的中红外（MIR）室温比探测率。此外，二维 MoTe₂层的大面积合成可以通过使用集成器件阵列来展示高分辨率非制冷中红外成像能力。这项工作提供了一种基于二维材料制备非制冷红外光电探测器的新方法。

相关研究以“Phase-controlled van der Waals growth of wafer-scale 2D MoTe₂ layers for integrated high-sensitivity broadband infrared photodetection“发表在Light: Science & Applications期刊。

图1 二维MoTe₂的合成与表征

大面积二维MoTe₂层的范德华生长，为高灵敏度光电器件的开发提供了更大的灵活性。图2a为Gr/1T′-MoTe₂/Si肖特基结器件示意图。

图2 Gr/1T′-MoTe₂/Si光电探测器的光电性能

考虑到光电探测器优越的红外探测能力，研究人员利用Gr/1T′-MoTe₂/Si肖特基结器件进一步探索了室温红外成像。图3a展示了以单个Gr/1T′-MoTe₂/Si器件作为核心器件的成像测量系统示意图，红外光通过固定在二维平移台上的空心长波红外图案掩模。

图3 Gr/1T′-MoTe₂/Si光电探测器应用于中红外成像

这种优异的室温成像能力和良好的器件阵列均匀性无疑证实了其在中红外成像应用中的巨大前景。与Si技术兼容的二维MoTe₂层的晶圆级增长显示出下一代低功耗、低成本的片上Si CMOS系统的巨大潜力。

在红外探测中，有效的载流子运输可以提高探测器的响应速度和灵敏度。本文介绍了一种新方法，通过生长二维MoTe₂ 层来克服传统半金属的局限性，并实现有效的载流子传输，从而提高红外探测效率。

二维MoTe₂ 层的相控生长方法还可以应用于其他材料，来提高红外探测的性能。这种方法的基本原理是通过控制热处理条件，实现从半导体相（2H）到半金属相（1T'）的相变，从而拓展了材料的应用领域。事实上，二维过渡金属二硫化物材料中的许多其他材料也具有半导体和半金属性质，如二硫化钼（MoS₂）、二硫化钨（WS₂）和二碲化钨（WTe₂）等。因此，这种相控生长方法可以应用于这些材料。此外，这种方法还可以应用于如过渡金属氧化物和半导体量子点等其他材料。这些材料具有优异的光学和电学性质，可以用于制备高性能红外光探测器。总之，二维MoTe₂ 层的相控生长方法具有良好的可扩展性和可重复性，可以为红外光探测器的制备提供一种新思路。

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