通过Ar等离子体诱导形成的p-i-n异质结，实现了高速且自供电的MoTe2/ReS2光电探测器

《Applied Materials Today》：High-speed and self-powered MoTe2/ReS2 photodetector enabled by Ar plasma-induced p-i-n heterojunction

基于二维MoTe?/ReS?异质结的光探测器通过Ar等离子体处理实现p-i-n结构，形成掺杂梯度以增强内置电场，在635nm下获得0.133A/W响应度和1.41×1011 Jones检测度，支持近红外响应及170kHz带宽。

　　

王一轩|吴张婷|董梦婷|阮浩哲|刘家瑶|李东科|杨张|郑亮

中国杭州电子科技大学电子科学与技术系纳米电子与纳米器件实验室，杭州 310018

摘要

基于二维p-i-n异质结构的光电探测器通过优化的耗尽区设计，提升了响应速度和灵敏度。然而，在二维材料中实现稳定的掺杂梯度仍是一个重大挑战。本文展示了一种半垂直结构的MoTe₂/ReS₂范德华异质结光电探测器：氩等离子体处理在MoTe₂表面形成高度p型掺杂层，而底层材料保持轻度掺杂，从而在异质界面处形成了明确的本征区域。这种掺杂梯度增强了内置电场，改善了光生载流子的分离和收集效果。在635纳米光照射下，该探测器表现出超快的光响应特性，上升时间与衰减时间分别为3.98微秒和3.53微秒，响应度为0.133 A/W，检测灵敏度达到1.41 × 10¹¹ Jones。此外，该探测器还具有宽带光检测能力，对近红外光响应良好，在170 kHz带宽内性能稳定，适用于高保真信号处理。这项工作突显了MoTe₂/ReS₂光电探测器在高速光通信和噪声环境中的强大应用潜力。

引言

新兴的低维材料和界面工程电子平台在下一代设备中展现了多种功能，包括低功耗负差分电阻传感[1]、生物分子传感[2][3]以及高效能量转换技术[5][6]。这些进展凸显了界面工程、缺陷调控和能带结构调节在现代电子学中的核心作用。其中，多层过渡金属硫属化合物（TMDCs）[7][8][9]因其高载流子密度、从紫外到近红外区域的宽频谱响应以及可扩展的合成策略而特别适用于先进的光电应用[10][11]。

将不同的TMDCs垂直堆叠成二维范德华异质结构（2D vdWHs）可以消除晶格匹配的限制，提供比共价半导体系统更灵活的设计选项[9][12][13]。然而，典型的二维p-n vdW异质结[14][15][16][17]存在耗尽区狭窄、界面复合严重以及载流子分离效率低的问题，这在响应速度和灵敏度之间形成了权衡。p-i-n结构通过在p型和n型TMDCs之间插入本征层来克服这些限制，从而拓宽了耗尽区宽度，降低了结电容，并抑制了复合现象，实现了速度和灵敏度的同时提升。

为实现基于TMDCs的p-i-n结，已经探索了多种掺杂技术，包括通过局部栅极的静电掺杂、铁电极化、缺陷掺杂以及表面电荷转移掺杂[18][19][20][21][22][23]。尽管取得了进展，但这些掺杂方法仍需进一步优化。例如，化学表面电荷转移掺杂会受到外来化学掺杂剂的影响，可能影响长期稳定性。最近，等离子体处理作为一种可控的方法被用于通过缺陷工程或表面反应来修改TMDC的电学性质[24][25][26][27][28][29]，连续的O₂和NH₃等离子体处理可制备p-i-n异质结光电探测器[31]。特别是氩等离子体处理具有优势，因为化学性质稳定的Ar不会与TMDCs发生反应，但能够提供足够的能量来置换表面原子，产生如Te空位[28]和Mo-Te配位缺陷[29]等缺陷。适度的缺陷密度会导致n型掺杂，而过多的缺陷生成则会形成活性位点。这些位点在空气中会强烈吸附氧气，导致表面氧化并产生p型掺杂[32]。

在本研究中，我们利用氩等离子体缺陷工程制备了一种垂直结构的MoTe₂/ReS₂ p-i-n异质结光电探测器。氩等离子体处理在MoTe₂表面形成了高度p型掺杂层，而底层材料保持轻度掺杂，从而在n型ReS₂附近形成了类似本征的区域。这种掺杂梯度有效拓宽了内置电场和耗尽区，提升了响应速度和灵敏度。该探测器在自供电模式下运行高效，具有超快的光响应时间（上升时间：3.98微秒；衰减时间：3.53微秒），以及170 kHz的带宽内-3 dB的信噪比，支持稳定、高保真的信号检测。在635纳米光照射下，其响应度为0.133 A/W，检测灵敏度为1.4 × 10¹¹ Jones，并且由于MoTe₂的窄带隙，还具有有效的近红外光检测能力。

结果与讨论

图1a示意性地展示了垂直堆叠的MoTe₂/ReS₂ vdW异质结光电探测器。该探测器通过依次将多层ReS₂和MoTe₂薄片转移到预图案化的底部Au电极上，然后再将顶部Au电极转移到MoTe₂层上制成（见图1b）。这种准垂直结构使得底部电极与ReS₂直接接触，MoTe₂层堆叠在其上方。

结论

我们利用氩等离子体处理制备了一种半垂直结构的MoTe₂/ReS₂范德华异质结光电探测器，实现了p-i-n结。这种方法减少了串联电阻，促进了光生载流子的有效收集。等离子体处理在MoTe₂中形成了p⁺-i型掺杂梯度，增强了内置电场，改善了光生载流子的分离效果。该探测器在635纳米光照射下表现出显著的性能提升。

器件制备

首先通过电子束蒸发在SiO₂（300纳米）/p?-Si基底上沉积100纳米厚的Au层，然后利用探针辅助转移技术将其定位。随后使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）机械剥离ReS₂薄片，并在光学观察下将其放置在Au电极的一侧。接着使用相同的PDMS辅助方法将MoTe₂薄片堆叠在ReS₂薄片上，构建了范德华异质结构。最后，在其上再沉积一层100纳米厚的Au层。

CRediT作者贡献声明

李东科：撰写、审稿与编辑、监督、项目管理。刘家瑶：数据可视化、验证、实验分析。阮浩哲：数据可视化、验证、实验分析。董梦婷：数据可视化、验证、软件开发、实验分析。郑亮：软件开发、资源管理、项目管理、资金筹集。吴张婷：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢2024年国内教师专业发展访问学者计划（项目编号：FX2024022）、国家自然科学基金（项目编号：62474160和92364204）的财政支持。