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（来源：第三代半导体产业）
研究背景
能够同时覆盖紫外、可见与近红外波段的宽谱光电探测器，在自主系统、仿生机器人、环境监测和智能成像等多光谱光电传感场景中日益重要。但在同一器件中兼顾高紫外灵敏度、可延伸的红外响应与高响应度并不容易，因为不同谱段对材料和器件结构的要求差异显著。在紫外波段，硅、锗等常规半导体的吸收深度极浅，又受表面复合与封装层寄生衰减的影响，响应度偏低；在红外一端，把探测范围拓展到硅截止波长之外通常需要窄带隙吸收体，随之而来的是更强的热载流子产生和暗电流噪声。正因如此，现有宽谱探测方案多依赖多种吸收材料、垂直堆叠结构或外部分光元件，虽然拓宽了谱覆盖，却明显增加了器件与系统复杂度，并未从根本上化解响应度、噪声、增益与响应速度之间的相互制约。
混合维度范德华异质结不受传统晶格匹配条件的约束，可以把带隙互补、光学功能各异的材料集成到一起，为宽谱探测提供了理想平台。由此发展出的一系列二维/三维异质结探测器，其光谱响应确实可以从紫外延伸到红外。然而，多数已报道器件的宽谱工作本质上只是组分材料吸收范围的被动叠加，能带排列在光照下基本保持静态，导致内建电场偏弱、界面载流子分离效率不高，响应度受限。在这一背景下，GaN这类宽禁带半导体格外具有吸引力：它既能高效俘获高能紫外光子，又能维持较强的内建电场，为主动调控界面能量学提供了可行途径。
成果简介
本文由中国科学技术大学微电子学院孙海定教授与闫勇副研究员共同担任通讯作者。研究团队把二维p型黑磷（bP）转移到三维n型GaN衬底上，通过无悬挂键界面构筑垂直p-n混合维度范德华异质结光电探测器，实现了255–1800 nm的宽谱光响应。结合开尔文探针力显微镜、紫外光电子能谱与功率相关光响应测量，作者揭示出一种紫外诱导的界面能带工程机制：紫外光照下光生载流子主要在n-GaN中产生并被内建电场分离，其中一部分空穴被GaN体内或界面附近的缺陷态俘获，抑制电子—空穴复合、延长自由电子的有效寿命；另一部分空穴则迁移并富集在bP/GaN界面，充当局域正光栅，使范德华隧穿势垒变窄、载流子渡越时间缩短。两条路径协同放大光电导增益，器件在365 nm下取得145.67 A/W的响应度和1.32 × 10¹² Jones的比探测率；可见与近红外光子则主要由窄带隙bP直接吸收，保证了整个宽谱范围内的响应。作者还搭建了8×8探测器阵列并结合神经网络完成多光谱成像与识别，并以实际光电流输出驱动“死体机器人”平台，演示了波长选择性的运动控制。相关成果发表于《Advanced Functional Materials》。
图文导读
图1 bP/n-GaN范德华异质结的结构表征与界面静电特性。(a) 器件结构示意图。(b) 器件光学显微照片。(c) 拉曼mapping图像，清晰分辨出bP与n-GaN各自区域的特征振动模式。(d) 结区AFM形貌与高度曲线，bP薄片厚度约21.6 nm。(e,f) 365 nm紫外照射下与暗态的KPFM表面电位分布图。(g) 跨结的表面电位曲线：暗态下n-GaN与bP的接触电位差为277.83 mV，光照后降至77.65 mV，减小约200.18 mV。(h) 提取的表面电位变化量，n-GaN区域约368.22 mV，bP覆盖区域约159.04 mV。(i) 无光照（左）与有光照（右）时的能带示意图。
2.1，开启电压约0.12 V。(b) 255–1800 nm多波长照射下的Ids–Vds曲线。(c) 归一化光谱响应度，最大响应出现在365 nm。(d–f) 365、530、940 nm下FDTD模拟的光吸收分布，紫外光子主要被结区附近的GaN吸收，可见与近红外光子主要被bP吸收。(g–i) Vds = +1、0、−1 V时Silvaco模拟的电子浓度分布，说明载流子输运主要受结电场支配。
图3 宽谱光电性能。(a–c) 紫外（365 nm）、可见（530 nm）与近红外（940 nm）不同入射功率密度下的时间分辨光电流响应，开关行为稳定可重复。(d–f) 对应波长下响应度与比探测率随功率密度的变化，365 nm下响应度达145.67 A/W、比探测率1.32 × 10¹²Jones，530 nm与940 nm下响应度分别约3.8 A/W与0.6 A/W。(g) 365 nm下归一化瞬态响应，上升与下降时间分别为563 μs与725 μs。(h) 与已报道范德华异质结光电探测器的响应度对比。
图4 宽谱成像与多光谱识别。(a) 基于8×8 bP/n-GaN探测器阵列的成像系统示意图。(b) 365、480、530与940 nm照射下获得的成像结果，阵列准确复现掩模图案的空间轮廓。(c) 利用器件波长相关响应度进行物理预处理的示意图。(d) 所用的代表性数据集。(e) 引入紫外、可见、近红外通道后神经网络的识别准确率，分别达到95%、91%与86%。
图5 波长选择性“死体机器人”驱动演示。(a) 器件在不同偏压与波长下的电学输出，输出状态由光波长与电学状态共同决定。(b) 实测探测器输出到预设运动指令的映射关系。(c) 基于真实光电流输出的信号采集与逻辑解码电路。(d) 由不同照射波长触发的波长选择性运动概念验证演示，365、530与940 nm分别对应右转、前进与左转。
总结展望
本工作构筑了一种混合维度bP/n-GaN范德华异质结光电探测器，借助紫外诱导的界面静电调制实现了增强型宽谱光探测。紫外光照下，光生载流子主要在n-GaN中产生并被内建电场空间分离；一部分空穴被GaN俘获，延长了自由电子的有效寿命，其余空穴在bP/GaN界面积累并充当局域正光栅，促进电子穿越范德华势垒、缩短有效渡越时间，两者协同显著提升光电导增益。器件在255–1800 nm范围内保持高效光电流响应，365 nm处响应度超过10² A/W，同时在可见与近红外波段维持稳定输出。集成探测器阵列进一步验证了宽谱成像能力与紫外加权的传感端预处理，凸显了该二维/三维bP/n-GaN架构的可扩展性与功能多样性。特别是，基于该器件平台，直接把波长相关的光电流输出转换为可区分的运动指令，验证了“死体机器人”概念。作者指出，随着材料质量与界面钝化的进一步优化，这类异质结有望为先进成像、光学感知以及多功能宽谱光电系统提供通用的材料基础。
文献链接
DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.78320
来源：低维 昂维
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