红外探测器在工业、安全、搜救、医学成像、监视、科学研究、气象、气候学和天文学等各个领域都有广泛的应用。目前，高性能红外成像技术主要依赖于高质量外延材料，如小带隙合碲镉汞（MCT）、InAs/GaSb II型超晶格（T2SL）和量子阱（QWIP）。然而，这些系统在低温下运行，需要昂贵且笨重的低温系统，这对实现快速和紧凑的红外检测系统的提出了挑战。因此，设计一种低噪声电流的红外光电探测器对于提高器件的工作温度、减轻红外探测系统的冷却负担具有重要意义。
据麦姆斯咨询报道，近日中国科学院重庆绿色智能技术研究院微纳制造与系统集成中心和中国科学院半导体所的合作科研团队提出了一种MoS₂/II型超晶格混合维范德华势垒长波红外探测器（Mixed-vdWH）。研究人员通过价带势垒的设计，实现了器件暗噪声的大幅抑制，使暗电流降低了两个数量级，该器件表现出出色的性能，D*达到4×10¹⁰ cm·Hz¹/²。相关研究成果以题为“Ultralow-Noise MoS₂/Type II Superlattice Mixed-Dimensional van der Waals Barrier Long-Wave Infrared Detector”发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。该论文第一作者为中科院绿色智能技术研究院肖磊博士，通讯作者为中科院重庆绿色智能技术研究院孙泰副研究员。
这项研究提出了一种MoS₂/II型超晶格（T2SL）混合范德华势垒结构来减轻长波长超晶格红外探测器中的暗噪声，该器件的暗电流为32 nA@77 K（5.6×10⁻⁶ A/cm²），器件整体性能达到4×10¹⁰ cm·Hz¹/²。值得注意的是，与控制器件相比，150 K下的暗电流降低了近一个数量级。这项研究介绍了一种新颖的屏障设计方法，用于实现高性能、长波长红外探测器。该器件架构如图1所示，采用标准光刻、刻蚀和湿法转移工艺制备MoS₂/II型超晶格混合势垒结构。
图1 器件结构和材料表征
MoS₂和超晶格之间大的带隙差异导致其接触时在价带中产生显著的空穴势垒，有效地抑制了器件的暗电流。通过开尔文探针显微镜表征的混合势垒的界面电位差，并计算得到势垒高度，结果如图2。
图2 MoS₂/T2SL混合势垒装置的能带排列
研究人员采用TCAD半导体仿真软件，对器件暗电流特性进行仿真。此外，还研究了混合势垒器件在不同温度下暗电流的变化，展示了高温下的噪声抑制效果。仿真和测试结果如图3所示。
图3 器件暗电流分析
最后，研究人员通过测试了器件的黑体响应，测试结果如图4所示。
图4 器件黑体响应特性
综上所述，这项研究介绍了一种MoS₂/T2SL混合维范德华势垒探测器，利用 MoS₂的高价带势垒有效抑制多粒子扩散。混合势垒使暗电流显著降低了两个数量级，同时在高温下保持了良好的噪声抑制性能。该器件在77 K时品质因数（D*）达到4×10¹⁰ cm·Hz¹/²。这种集成策略将二维层状材料（2DLM）的独特性能与传统三维（3D）半导体材料的成熟加工技术相结合，为2DLM的大规模集成提供了一种有前途的策略。
这项研究项目获得了国家自然科学基金、国家自然科学基金重大项目、中科院“西部之光”计划、中国科学院重点研究计划等支持。
https://doi.org/10.1021/acsami.4c00956
