二硒化铂（PtSe₂）作为过渡金属二硫族化合物（TMDs）的成员具有高的载流子迁移率和0-1.2 eV的层间可调带隙，其凭借独特的电子结构和优异的电学特性，在短波红外（SWIR）光探测方面展现出巨大的潜力。二维PtSe₂薄膜通常与轻掺杂衬底结合形成pn异质结，然而在低温下小管式炉内合成的薄膜晶体质量较差（多晶态），且基于pn结构器件的响应速度因弱的界面电场、长的载流子渡越时间和严重的缺陷复合而难以进一步的提升。已报道的pn PtSe₂ 二维（2D）/三维（3D）异质结构的响应时间和带宽通常分别只有~10-100 µs和~10-80 kHz，这极大地限制了其商业价值。
据麦姆斯咨询报道，闽南师范大学柯少颖教授与中国科学院上海技术物理研究所王振研究员、云南大学王茺研究员的合作团队采用热辅助转换法（TAC）在大管径石英管式炉内（内径9 cm）成功合成高质量结晶取向单一的PtSe₂薄膜，并首次制备出了基于PtSe₂/n⁻-Si/n⁺-Si PIN结构的宽带高速红外探测器。相关研究成果以“High-Speed Broadband PtSe2/Si 2D-3D Pin Photodetector with a Lightly n-Doped Si Interlayer Based on Single-Oriented PtSe2”为题，发表在ACS Photonics期刊上。
研究人员采用TAC获得PtSe₂薄膜，其中Pt薄膜的硒化是在距离反应室底部的特定高度完成行的。图1展示了在不同硒化高度合成的未完全硒化PtSe₂薄膜的拉曼光谱。通过调控样品的放置高度、硒化温度以及载气流量，最终在上温区为350 ℃，下温区为560 ℃，氩气流量为100 sccm，放置高度为16.5 mm的条件下获得了高质量的PtSe₂薄膜。在大管径石英腔体内热场和气场的共同控制下，被载气输运至下温区的Se蒸气浓度较低，有利于硒化过程缓慢进行，并伴随结晶过程中成核量的降低，最终合成具有单一取向的PtSe₂薄膜。另外，图1中还显示了PtSe₂薄膜的透射电子显微镜（TEM），表现出首先在Pt薄膜上形成硒化物成核点，然后PtSe₂从成核点向外生长。
图1 高质量单一取向PtSe₂薄膜的表征
为了确认PtSe₂的掺杂类型，研究人员将PtSe₂转移到SiO₂/Si衬底上，制造了通道长度100 nm、宽度500 nm的简单场效应晶体管（FET）。FET的输出曲线和传输曲线显示了PtSe₂的弱p型（如图2b和图2c）。图2a为PtSe₂/n⁻-Si/n⁺-Si PIN光电探测器的结构，其中n⁻-Si层用作光吸收层，光生载流子在电场下漂移并形成电流。图2d为异质结的能带图。同时图2表明该器件具有出色的可重复性和稳定性。随后研究人员对PtSe₂/n⁻-Si/n⁺-Si PIN光电探测器的光电性能进行了测试，相关结果如图3所示。PtSe₂/Si异质结在1100 nm以上波段的光吸收明显提升，同时由于暗电流低，该器件表现出良好的短波红外光探测能力。
图2 PtSe₂/n⁻-Si/n⁺-Si PIN器件结构及性能表征
图3 PtSe₂/n⁻-Si/n⁺-Si PIN器件光电性能测试
相比之下，PtSe₂/n⁻-Si pn光电探测器是通过将PtSe₂薄膜直接转移到n⁻-Si衬底来制备。图4a绘制了pn和PIN器件的暗电流，具有两种结构的器件都表现出∼10⁵的高整流比。研究人员还对两种器件做了深入对比，相关对比结果如图4所示，可以看出，具有PIN结构的光电探测器在红外探测方面的能力更佳。
图4 PIN与pn器件光电性能对比
最后，研究人员进一步研究了PtSe₂/n⁻-Si/n⁺-Si PIN光电探测器的红外成像能力。图5a显示了成像测量示意图，图5b至图5e分别显示了在1310 nm、1550 nm、1850 nm和2200 nm照明下器件的光电流映射图像，证明了PIN器件的短波红外探测能力。
图5 PIN光电探测器红外成像结果
综上所述，这项研究通过TAC方法在大直径腔体中制备单取向PtSe₂薄膜，并首次制备出了基于PtSe₂/n⁻-Si/n⁺-Si PIN结构的高速宽带红外光电探测器。与传统的基于2D/3D pn异质结的光电探测器相比，基于PIN结构的器件具有更快的响应速度和更显著的红外探测能力。由于引入了高质量的PtSe₂薄膜，该PIN器件可达∼125 kHz的3 dB频率、2.2/11.8 μs的零偏置响应速度，该器件高整流比∼10⁵。在532 nm光照、−2 V偏置下，该器件还表现出出色的光电特性，最大响应度为53.9 mA W⁻¹，特异性探测率为1.35 × 10¹¹ Jones。此外，由于PtSe₂的短波红外强吸收，在1310 nm、1550 nm、1850 nm和2200 nm波长处表现出明显的光响应，表明该器件在红外图像传感领域的潜力。更重要的是，这项工作中的PIN结构本质上是将特定材料作为吸收层集成到PtSe₂/Si异质结中，为构建基于2D/3D异质结构的高性能光电探测器和推动与硅基微电子技术兼容的下一代超快宽带光电传感器的开发提供了指导。
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c00450
