中红外光电探测在军事、环境监测、天文等领域有着重要应用。然而，使用传统半导体材料如II-IV的碲镉汞（HgCdTe）和III-V的超晶格受到低温制冷、体积大、功耗高、制造过程复杂和与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术兼容性差的限制。二维（2D）范德华异质结构被认为是实现高性能室温中红外光电探测器的有前途的材料，但同时实现高灵敏度、快速响应速度和超宽带中红外光电探测仍然是一个挑战。
据麦姆斯咨询报道，近日，由东南大学、中国科学院上海技术物理研究所（简称：中国科学院上海技物所）、南方科技大学、南京邮电大学和南京师范大学组成的科研团队提出了一种在室温下操作的、高性能的、小型化的、低功耗且与CMOS兼容的中红外光电探测器。这种探测器利用垂直传输通道的二维异质结构，实现了与商用HgCdTe制冷光电探测器相当甚至更优的探测性和响应速度。该探测器的中红外探测性达到2.38 × 10¹¹ cm·√Hz·W⁻¹，快速响应时间为10.4 ns，并且具有从紫外到中红外波段的超宽带探测范围。这项研究以“High-sensitivity, high-speed, broadband mid-infrared photodetector enabled by a van der Waals heterostructure with a vertical transport channel”为题发表在Nature Communications期刊上。
图1a展示了垂直光电探测器的设计理念，图1b展示了光生过剩电荷载流子浓度的稳态空间分布。该垂直光电探测器的优势体现在以下几个方面：（i）垂直传输通道，(ii) 石墨烯电极，(iii) BP/MoS₂异质结，(iv) 金电极。垂直设计可同时优化响应速度、外部量子效率、噪声电流和探测范围，从而提高光电探测器的整体性能。图2a和图2b显示了Gr/BP/MoS₂/Gr垂直通道光电探测器的结构示意图和光学图像，图2c至图2f展示了该垂直通道光电探测器的光电特性。
图1 具有垂直和横向传输通道的二维异质结构中的光生电荷载流子传输
图2 垂直通道光电探测器的光电特性
为了阐明垂直通道相对于横向通道的优越性，研究人员对二者的性能指标进行了比较分析，包括外部量子效率（EQE）、响应度（R）、比探测率（D*）、噪声等效功率（NEP）和响应速度。
图3 具有垂直和横向传输通道的光电探测器的室温性能比较
为了直接了解沟道长度对器件光电转换过程的影响，研究人员在单个BP/MoS₂异质结上制备了六对电极。图4展示了沟道长度对横向沟道器件光响应特性的影响。
图4 沟道长度对横向沟道器件光响应特性的影响
最后，研究人员将该垂直光电探测器与其他室温中波红外光电探测器的性能做了比较，结果如图5所示。
图5 垂直通道光电探测器与其他已报道光电探测器的室温性能比较
综上所述，这项研究通过实现垂直传输通道的二维异质结构，可以在单一光电探测器中同时实现高灵敏度、高速度和超宽带中红外探测。这种Gr/BP/MoS₂/Gr垂直光电探测器在中红外波段的探测性接近理论极限，响应速度达到10.4 ns，并且具有从紫外波段到中红外波段的超宽带探测范围。该探测器的整体室温性能可与商用制冷中红外HgCdTe光电探测器相媲美甚至更优。
https://doi.org/10.1038/s41467-025-55887-x
延伸阅读：
《石墨烯市场和二维材料评估-2023版》
