邴 單，白 靜，杜如霞

(南京工業(yè)大學浦江學院 基礎教學部，江蘇 南京 211134)

光電探測器通過將吸收的光子能量轉換為電流來測量光通量或光功率。光電探測器在成像、光通訊以及遙感技術領域有著廣泛的應用。同時，快速、高靈敏度以及寬波段響應的高性能探測需求愈發(fā)突出。傳統(tǒng)的硅基、鍺基探測器技術雖然已經很成熟，但在尺寸小型化以及高性能突破方面遇到瓶頸，急需性能更優(yōu)異而且便于集成的探測[1]。

近年來，量子點、納米線、二維層狀材料以及三維狄拉克半金屬材料引起了人們的研究熱潮。由于量子限域效應和維數(shù)依賴性，納米結構材料展現(xiàn)出許多優(yōu)異的光電特性，因而低維材料在光電探測領域極具潛力。量子點常被用作光吸收層，利用光誘導的類柵極電場調控(Photogating)機制很容易實現(xiàn)高靈敏探測。半導體納米線常具有優(yōu)異的物化性質，比如能帶可調，豐富的表面態(tài)以及共振光吸收。具有代表性的二維材料石墨烯，不僅遷移率高而且其從紫外到遠紅外都有光吸收，適合于高靈敏和寬波段探測。過渡金屬硫族化合物材料在探測領域也是研究熱點之一，這類材料可以實現(xiàn)高靈敏度和快速響應，尤其在可見光波段。黑磷作為一種窄帶系材料，在寬波段探測方面性能卓越，更重要的是其具有偏振敏感性，可以用于偏振光檢測。三維狄拉克半金屬也是一類光電探測的熱門材料，其體電子形成了三維的狄拉克錐結構。這類材料可以與光有很強的相互作用，載流子遷移率很高而且穩(wěn)定性好。比如Cd3As2，遷移率達到9×106cm2V-1s-1。

相比于傳統(tǒng)的光電探測材料，如GaAs，Si和Ge,低維材料的性質更易于調控。可以通過化學摻雜、電學調控、以及物理吸附等等方式對材料進行修飾。此外采用異質結構、混合結構等設計可以集不同材料的優(yōu)勢。鑒于尺寸優(yōu)勢，低維材料在器件小型化以及集成方面有著很大潛力。當前，將石墨烯與量子點、塊狀半導體、有機物或者拓撲絕緣體材料組成的混合系統(tǒng)用于光電探測已十分廣泛，基于石墨烯的混合系統(tǒng)探測器可以實現(xiàn)超高靈敏度[2]。相比于傳統(tǒng)塊體探測材料，二維材料還便于被設計成范德瓦爾斯異質結結構，這極大拓展了器件的可設計性。針對不同材料的能帶結構和特性，可選擇結構匹配，功能互補的材料設計異質結以實現(xiàn)性能更優(yōu)異的光電探測器。

1 國內外研究進展

1.1 高靈敏度光電探測

圖1 石墨烯/石墨烯量子點結構光電探測器示意圖

靈敏度是探測器的重要參數(shù)之一。石墨烯雖然遷移率很高，但是在可見和紅外波段的光吸收相對較弱，結合量子點可以有效解決這一問題。以Photogating機制運作的石墨烯-量子點復合結構可以實現(xiàn)高靈敏探測。Gerasimos Konstantatos等人研究了以硫化鉛量子點與石墨烯組成的復合結構，量子點作為光吸收層，實現(xiàn)108增益，并且響應率達到107A W-1[3]。Golam Haider等人研究了石墨烯-石墨烯量子點復合結構探測器，光響應達到4.06×109A W-1[4]，如圖1所示。此外，將石墨烯與其他光吸收較強的材料相結合，比如二維鈣鈦礦等，也是一個很有前景的研究方向。未來需要發(fā)掘光吸收系數(shù)更高的材料，以實現(xiàn)高靈敏探測。

1.2 超高速光電探測

探測器的響應時間不僅與器件的運作機制有關，而且要實現(xiàn)高速探測對材料的遷移率有較高要求。石墨烯基光電探測器的最快響應時間約為 50 fs。三維狄拉克半金屬材料Cd3As2的遷移率達到9×106cm2V-1s-1?；贑d3As2的未經特殊處理的高速探測器被證實適用于速率達到145 GHz的數(shù)據通道中，如圖2所示[5]?；谑┗蛉S狄拉克半金屬材料的器件在高速探測方面不斷得到突破，未來通過優(yōu)化設計和性能調控有望進一步提高探測速度。由于高速探測對材料遷移率要求高，因此未來研究里可以針對材料改性與調控，提高遷移率，以實現(xiàn)更高速的探測。

圖2 基于三維狄拉克半金屬材料Cd3As2的高速探測器

1.3 超寬波段光電探測

在通訊、熱成像、天文等領域，紅外探測非常重要。傳統(tǒng)的硅基探測器受限于材料本身的吸收特性，可探測紫外到近紅外波段(400～1100 nm)，不能滿足光通訊的需求。碳納米管在紅外光波段的光吸收系數(shù)較高，將碳納米管與石墨烯結合，兩者的界面處形成很強的內建電場，可有效分離光生載流子。單壁碳納米管/石墨烯結構可以實現(xiàn)400 nm到1550 nm波段的高響應探測[6]。在兩層石墨烯之間插入超薄遂穿層的垂直遂穿結構也可以實現(xiàn)有效的光吸收和電荷分離。如圖3所示，基于垂直隧穿結構的石墨烯光探測器可以探測到中紅外范圍，并且在3.2 μm波段響應達到1.1 A W-1[7]。在二維材料中，除了零帶隙的石墨烯，窄帶系材料黑磷等也適用于寬波段探測。黑磷光電探測器被證實能夠進行超寬波段光探測(400～3750 nm)[8]，同時保持偏振靈敏性。適用于寬波段探測的還有窄帶系的二維非層狀材料。比如Pb1-xSnxSe，可以實現(xiàn)375 nm到2 μm波段的有效探測。寬波段探測對于材料本身的光吸收性質有依賴性，因此需要關注材料的選擇以及復合結構探測器的發(fā)掘。在異質結結構也是一個重要的研究方向。

圖3 石墨烯光電探測器

2 總結及展望

低維材料光電探測領域在高靈敏探測、高速探測、寬波段探測等領域已取得了重要的研究突破。下一階段的研究重點需要集中在以下幾點：(1)在光電轉換過程中，響應時間主要依賴于載流子的壽命，而壽命的高低又一定程度上影響著器件的靈敏度。如何在保證高靈敏探測的同時，實現(xiàn)器件的快速響應，是該領域面臨的一大挑戰(zhàn)。(2)低維材料光電探測器在可見和近紅外波段具有很好的性能，然而，在中遠紅外波段，器件的性能與傳統(tǒng)半導體材料InGaAs和HgCdTe等還存在這明顯的差距，需要通過后期研究工作去進一步提升。(3)低維材料光電探測要實現(xiàn)應用，還需要解決大尺寸、高質量薄膜材料的制備難題?？傊?，低維材料在光電探測領域有很好的應用前景，但需要在高質量材料制備、機理探索、新原理器件開發(fā)方面繼續(xù)開展相關研究。