南昌大学研发肖特基异质结红外探测器,突破室温中红外噪声瓶颈

近年来，二维层状材料凭借无悬挂键表面、高载流子迁移率与灵活的范德华集成能力，为光电探测器设计提供了全新的材料平台。然而，多数二维材料带隙较宽，不适合中红外探测；少数窄带隙二维材料如黑磷、PtSe₂等，又存在暗电流高、光吸收弱或环境稳定性差等问题，难以单独支撑高性能中红外器件。构建二维/三维范德华异质结成为突破这一困境的有效思路：既可以利用三维半导体的强吸收保障光生载流子产额，又可以借助二维材料的界面调控能力抑制暗电流与噪声。

据麦姆斯咨询报道，近日，南昌大学的研究团队提出混合维度范德华异质结设计方案，将三维窄带隙半导体PbSe与二维Weyl半金属WTe₂结合构建肖特基异质结，借助内建电场调控与界面钝化的双重作用，在保留PbSe宽光谱强吸收优势的同时，将暗电流密度降低一个数量级，低频1/f噪声抑制两个数量级。器件实现了808–4000 nm的宽光谱响应，2600 nm处峰值比探测率达4.81×10⁹ cm·√Hz·W⁻¹，响应速度达亚毫秒级，并成功实现室温黑体辐射探测与热目标成像，综合性能与商用室温中红外探测器相当，为无制冷、低成本中红外传感与成像技术提供了新的技术路径。研究成果以“PbSe/WTe₂ Schottky Heterojunction for Low-Noise Mid-Infrared Detection”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

范德华异质结的制备与表征

研究团队采用“薄膜生长+干法转移”的工艺路线制备PbSe/WTe₂异质结器件，全程避免高温外延过程，保留了两种材料的本征特性。图1展示了PbSe/WTe₂异质结构的构建与表征。

图1 PbSe/WTe₂异质结构的构建与表征

PbSe/WTe₂异质结构的光电特性

研究团队对PbSe/WTe₂异质结构进行了系统的测试，相关结果如图3所示。暗电流与噪声水平是决定室温红外探测器探测下限的核心参数。测试结果显示，PbSe/WTe₂异质结在暗态下表现出明显的整流特性，整流比约为10倍，呈现出典型的肖特基二极管输运行为；而纯PbSe器件无显著整流效应。此外，噪声谱测试进一步揭示了该异质结对噪声的调控作用。这一提升源于双重机制：一是肖特基势垒对多数载流子热发射的阻挡作用，从根源上降低了暗电流的绝对值；二是WTe₂层对PbSe表面的物理钝化作用，减少了表面悬挂键与缺陷态，抑制了缺陷介导的1/f噪声产生。

图2 PbSe/WTe₂异质结的光电特性

载流子输运机制与能带调控原理

为深入揭示异质结的暗电流抑制与光响应机理，研究团队结合热电子发射理论与隧穿模型，定量分析了载流子输运过程和隧穿机制，相关结果如图3所示。对输运机制与能带结构的清晰认知，不仅解释了当前器件性能的物理来源，也指明了进一步优化的方向。未来通过界面钝化工艺降低缺陷态密度、精准调控能带对齐，有望进一步降低理想因子、提升整流比与暗电流抑制效果，推动器件性能向理论极限逼近。

图3 PbSe/WTe₂异质结的光响应机理与性能

响应光谱与光电探测

得益于PbSe本征的窄带隙特性与异质结的高效载流子分离，PbSe/WTe₂异质结光电探测器实现了超宽光谱的光电响应，证实了从近红外到中红外的宽带探测能力，相关结果如图4所示。

图4 PbSe/WTe₂异质结的黑体响应与热成像特性

与已报道的多种WTe₂基、PbSe基及其他二维材料异质结探测器相比，该器件在光谱覆盖范围、响应速度与探测灵敏度的综合平衡上具有明显优势，整体性能与商用室温中红外探测器相当，对比结果如表1所示。

表1 PbSe/WTe₂异质结器件与其他已报道器件的光电性能对比

http://doi.org/10.1021/acsami.6c06229

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