[论文解读] Wafer-scale fabrication of 2D van der Waals heterojunctions for efficient and broadband photodetection

Jian Yuan, Tian Sun+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2018

2D Materials and Applications参考文献 17被引用 3

一句话总结

本研究通过化学气相沉积法在2英寸SiO2/Si衬底上实现了少层2D PtS2/PtSe2范德华异质结的晶圆级制备，实现了从532至2200 nm的宽带光电探测。器件表现出高光电响应度（361 mW⁻¹）、84%的外部量子效率以及66 ms的快速响应，适用于可扩展、低功耗的光电子应用。

ABSTRACT

A variety of fabrication methods for van der Waals heterostructures have been demonstrated; however, their wafer-scale deposition remains a challenge. Here we report few-layer van der Waals PtS2/PtSe2 heterojunction photodiodes fabricated on a 2" SiO2/Si substrate that is only limited by the size of work chamber of the growth equipment, offering throughputs necessary for practical applications. Theoretical simulation results show that the bandgap of PtS2 is shrunk to half of its original size in the PtS2/PtSe2 heterostructures, while PtSe2 exhibits a limited response to the coupling. Both PtSe2 and PtS2 layers in the coupled system are still semiconductors. Dynamic photovoltaic switching in the heterojunctions is observed at zero-volt state under laser illuminations of 532 to 2200 nm wavelengths. The PtS2/PtSe2 photodiodes show excellent characteristics in terms of a high photoresponsivity of 361 mAW-1, an external quantum efficiency (EQE) of 84%, and a fast response speed (66 ms). The wafer-scale production of 2D photodiodes in this work accelerates the possibility of 2D materials for practical applications in the next-generation energy-efficient electronics.

研究动机与目标

• 为克服二维范德华异质结构在晶圆尺度上集成以实现实际光电子应用的挑战。
• 开发一种与现有半导体加工基础设施兼容的、可扩展的大面积二维异质结制备方法。
• 利用少层PtS2/PtSe2异质结，在可见光至近红外波段实现宽带且高效的光电探测。
• 表征异质结的电子与光电子特性，包括能带排列和光伏响应。

提出的方法

• 采用化学气相沉积（CVD）法在2英寸SiO2/Si衬底上直接生长少层PtS2和PtSe2单层。
• 通过先生长PtS2再生长PtSe2的顺序CVD工艺，形成异质结，实现晶圆级直接集成。
• 采用理论模拟分析PtS2/PtSe2体系中由于层间耦合导致的能带结构变化。
• 在532 nm至2200 nm激光照射下进行光学与电学表征，以评估其光伏响应。
• 在零偏置条件下测量关键性能指标，如光电响应度、外部量子效率（EQE）和响应速度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用可扩展的CVD方法在标准Si衬底上实现晶圆级二维范德华异质结的制备？
• RQ2 PtS2/PtSe2异质结中的层间耦合如何影响其能带结构和电子特性？
• RQ3 该异质结在可见光至近红外光谱范围内的宽带光电探测性能如何？
• RQ4 该异质结是否能在无外部偏置下实现高光电响应度和快速响应速度？
• RQ5 在零偏置工作条件下，PtS2和PtSe2在光伏响应中分别起什么作用？

主要发现

• PtS2/PtSe2异质结在零偏置条件下表现出高达361 mW⁻¹的光电响应度。
• 外部量子效率（EQE）达到84%，表明光子到电子的转换效率接近理想水平。
• 该光电二极管展现出66 ms的快速响应速度，适用于高速光电子应用。
• 理论模拟证实，由于层间耦合，PtS2的带隙减小至原始值的一半。
• 该异质结在零偏置下实现了从532至2200 nm的宽波段动态光伏开关特性。
• 晶圆级制备工艺的限制仅来自CVD设备腔体尺寸，具备可扩展生产潜力。