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導言
二維過渡金屬二硫化物（TMDs）由于其表面無懸垂鍵、可調節的帶隙和高載流子遷移率等特性，在光電器件領域具有巨大潛力。其中，二硒化鉑（PtSe2）被認為是制備高性能紅外光電探測器的理想材料之一。其層間可調帶隙范圍為0-1.2 eV，可通過改變薄膜厚度實現從半導體到半金屬的轉變，吸收光譜覆蓋可見光到中紅外波段。然而，目前報道的大多數2D-3D結合的器件均為p-n異質結器件，采用輕摻雜或重摻雜的n型襯底，這既作為光吸收層，又作為載流子傳輸層，影響了載流子在n型體材料中的有效傳輸。同時，二維材料與輕摻雜或重摻雜的n型襯底的接觸界面存在較多缺陷，導致光生載流子在界面分離時存在嚴重復合損失，使得光電流與光功率之間的擬合值θ無法達到理想狀態。光電探測器的結構設計和界面優化是實現高穩定性、接近理想狀態以及寬光譜紅外探測的關鍵問題。
相關成果以“基于Si/SOI晶圓鍵合剝離的高質量超純本征硅薄膜的穩定自供電寬帶PtSe2/Si Pin 紅外光電探測器"為題發表。希望該研究能為您的科學研究或工業生產帶來一些靈感和啟發。
正文
二維過渡金屬二硫化物（TMDs）因其表面無懸垂鍵、可調帶隙和高載流子遷移率等特性，在光電器件領域備受關注。PtSe2 作為一種*具前景的 TMDs 材料，其帶隙可通過改變薄膜厚度在 0-1.2 eV 范圍內調節，覆蓋從可見光到中紅外譜區的吸收范圍。此外，PtSe2 具有高載流子遷移率和化學穩定性，有助于實現快速響應時間和良好的空氣穩定性。
過去五年中，研究人員致力于開發集成 PtSe2 與塊體材料的 p-n 異質結光電探測器。例如，2021 年 Lu 等人在鍺（Ge）基底上構建了多層 PtSe2/Ge 異質結光電探測器陣列；2022 年 Ye 等人通過引入約 3 nm 厚的 SiO2 絕緣層，制備了與 CMOS 兼容的 PtSe2/超薄 SiO2/Si 自驅動光電探測器；2023 年 Li 等人實現了二維 PtSe2 薄膜在鈍化 Ge 基底上的垂直生長，構建了 PtSe2/Ge 肖特基結光電探測器；2024 年 Wang 等人通過在銦磷（InP）晶片上垂直堆疊二維 PtSe2 薄膜，開發出自供電近紅外肖特基結光電探測器。然而，這些 2D-3D 結合器件均為 p-n 異質結，且所用襯底為輕摻雜或重摻雜 n 型襯底，存在諸多缺陷，影響了載流子的有效傳輸，并導致光生載流子在界面分離時的復合損失嚴重，θ 值未能達到理想狀態。
鑒于此，本研究采用疏水鍵合技術實現無氣泡、高強度、無氧化層的 n+-Si/SOI 晶片鍵合，剝離出高質量超純 i-Si 層，制備出新型 p-PtSe2/i-Si/n+-Si pin 光電探測器。該器件在室溫下實現了從 532 到 2200 nm 的寬譜探測，整流比高達 2.1×10?，θ 值在 3.5 mW 光功率范圍內達到理想狀態的 1，響應度（R）和比探測率（D*）幾乎不依賴于功率，分別為 46.5 mA/W 和 1.94×1011 Jones，顯示出優異的穩定性，理想因子（n）低至 1.2，接近理想狀態，激活能約為 0.52 eV，接近 Si 帶隙的一半，表明器件中的載流子傳輸為復合機制。這項工作首*將晶片鍵合與二維材料轉移相結合，構建范德華異質結，為 2D-3D 硅基 pin 光電探測器的制造提供了新方法。
結果與討論
器件制備與結構表征
研究團隊采用疏水鍵合技術制備 i-Si/n+-Si 襯底。通過 RCA 方法對 SOI 晶片和 n+-Si 晶片進行清洗，然后浸泡在稀釋的 HF 溶液中獲得疏水表面，將兩者鍵合在一起，并在高溫管式爐中退火以實現高強度鍵合。通過機械研磨和化學腐蝕方法剝離出高質量超純 i-Si 頂層，形成 i-Si/n+-Si 結構。接著，采用熱輔助轉換法（TAC）制備 PtSe2 薄膜，將其轉移至疏水鍵合的 i-Si/n+-Si 襯底上，完成 p-PtSe2/i-Si/n+-Si pin 光電探測器的制備。
圖1 （a）PtSe?薄膜的拉曼光譜。（b）沉積于SiO?/Si基底上的PtSe?薄膜的X射線衍射（XRD）圖譜。（c，d）PtSe?薄膜的X射線光電子能譜（XPS），分別為Pt 4f和Se 3d譜圖。（e）PtSe?薄膜的原子力顯微鏡（AFM）圖像。（f）PtSe?的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。（g）覆蓋PtSe?薄膜的3英寸SiO?/Si基底的照片。（h）拉曼光譜中Y軸數據彩色映射的三維瀑布圖。（i）3英寸硒化物樣品的A?g/Eg峰面積與半高寬（FWHM）關系圖。
材料結構與晶體質量分析
研究團隊使用拉曼光譜儀（ZOLIX, RTS-mini）、X 射線衍射儀（XRD Rigaku Ultima IV）、掃描聲學顯微鏡（CSAM, UESTAR, AM-300）等設備對 PtSe2 薄膜及器件的結構特性、晶體質量、鍵合界面氣泡狀況及鍵合面積等進行了全面表征。結果表明，所制備的 PtSe2 薄膜具有高結晶度和單向取向，XPS 分析進一步確認了 Pt 和 Se 原子的化學成分和結合能，SEM 和 AFM 測試顯示 PtSe2 薄膜具有大面積均勻性和高質量的表面形貌。
光電性能測試與分析
研究還對比了線性PEI（PEIL）、支化PEI（PEIB）和乙氧基化PEI（PEIE）的鈍化效果。結果表明，PEIE在溶液加工性和界面鈍化效果上具有最佳平衡。支化PEI雖然也能提升Voc，但對Jsc的影響較大；而線性PEI則對Voc提升有限。
圖2 （a）器件結構示意圖。（b）不同溫度下的I?V特性曲線.（c）活化能.（d）理想因子。（e?i）532至2200納米的光響應。
本文中使用的拉曼探測系統是卓立漢光公司的RTS-mini 經濟型光纖共焦拉曼系統。擁有Plug-in 特點的RTS-mini 共聚焦拉曼顯微系統，可跟多種顯微鏡和光譜儀聯用，提供*佳的靈敏度和空間分辨率。除了在現有的顯微鏡上升級共聚焦系統外，通過靈活地配置光譜儀和探測器，可以打造出針對客戶應用的專屬系統配置。廣泛用于各類工業應用，如質檢，安檢，刑偵，生物醫療，制藥等需要高拉曼靈敏度的應用領域，并且由于可提供免費的軟件開發包，并且提供Micromanager 接口，使得系統的后續開發及聯用工作可以輕松展開。
本文中使用的光電測試系統是卓立漢光公司的DSR300微納器件光譜響應度測試系統。DSR300微納器件光譜響應度測試系統是一款專用于低微材料光電測試的系統。其功能全面，提供多種重要參數測試。系統集成高精度光譜掃描，光電流掃描以及光響應速率測試。40μm探測光斑，實現百微米級探測器的絕對光譜祥響應度測量。超高穩定性光源支持長時間的連續測試，豐富的光源選擇以及多層光學光路設計可擴展多路光源，例如超連續白光激光器，皮秒脈沖激光器，半導體激光器，鹵素燈，氙燈等，滿足不同探測器測試功能的要求，是微納器件研究的優選。
響應速度與穩定性測試
研究團隊還對器件的響應速度和穩定性進行了測試。在 -2 V 偏壓下，器件在 1000 Hz 光照頻率下的響應曲線顯示出較為穩定的光電響應，上升時間和下降時間分別為約 70 μs 和 290 μs。經過 1700 次重復刺激后，器件仍保持一致的光響應，光電流衰減極小，證明了器件具有良好的穩定性和可重復性。
圖3（a）能帶結構圖。（b）時域光響應特性。（c）開路電壓與短路電流。（d）0 V和?2 V下的噪聲電流。（e）0 V和（f）?2 V下響應度與比探測度隨入射光功率的變化關系。（g）器件的線性動態范圍（LDR）。（h）光電流與光功率的擬合曲線。（i）本文與其它文獻中擬合參數的對比。
結論
本研究通過結合傳統晶片鍵合技術和二維材料薄膜轉移技術，成功制備了 p-PtSe2/i-Si/n+-Si pin 光電探測器。該器件展現出優異的光電性能和穩定性，包括高整流比、低理想因子、寬譜響應以及理想的 θ 值等。與常規 2D-3D p-n 異質結相比，高質量 i-Si 層的引入增強了 p-PtSe2 與 Si 的粘附性，減少了界面缺陷復合，提高了器件穩定性。這一成果為未來高性能 2D-3D 光電探測器的發展提供了新的理論見解和實驗基礎。
通訊作者及其團隊介紹
柯少穎，閩南師范大學物理與信息工程學院副教授，福建省光場操縱與系統集成應用重點實驗室成員。長期致力于低維材料光電器件領域的研究，主持和參與多項國家自然科學基金、福建省自然科學基金等項目，在 ACS Applied Materials & Interfaces 等期刊發表多篇高水平論文，為推動低維材料在光電器件領域的應用做出了重要貢獻。
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本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司RTS-mini 經濟型光纖共焦拉曼系統以及DSR300微納器件光譜響應度測試系統。如需了解相關產品，歡迎咨詢。
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