Die Detektion in mehreren Infrarot (IR)-Regionen, die sich von kurz- und mittel- bis langwelligem IR erstrecken, spielt eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen, von der wissenschaftlichen Forschung bis hin zu weitreichenden technologischen Anwendungen, einschließlich Zielidentifikation, Bildgebung, Fernüberwachung und Gassensorik. Gegenwärtig werden hochmoderne IR-Fotodetektoren hauptsächlich von herkömmlichen Halbleitern mit schmaler Bandlücke dominiert, darunter In1-xGaxAs, InSb und Hg1-xCdxTe, die im kurzwelligen IR (SWIR, 1-3 µm) und im mittelwelligen IR arbeiten (MWIR, 3-6 µm) bzw. Langwellen-IR (LWIR, 6-15 µm) Spektralbänder.
Bemerkenswerterweise stützen sich diese Photodetektoren nicht nur auf Hochtemperatur-Wachstumsverfahren von Rohmaterialien und komplexe Verarbeitungstechniken, sondern leiden auch unter den kryogenen Kühlbedingungen mit zeitaufwendigem und hohem Stromverbrauch. Darüber hinaus gibt es noch einige verbleibende technologische Herausforderungen, wie z. B. schlechte Kompatibilität mit komplementären Metalloxid-Halbleitern (CMOS), sperrige Modulgröße und geringe Effizienz, die die breitere Anwendung dieser Detektoren stark einschränken.
In einem neuen Artikel, erschienen in Lichtwissenschaft & Anwendunghaben die Professoren Di Wu und Xinjian Li von der Zhengzhou University, Dr. Longhui Zeng von der University of California-San Diego und Prof. Jiansheng Jie von der Soochow University einen einfachen thermisch unterstützten Tellurisierungsweg für das van der Waals (vdW)-Wachstum demonstriert von phasengesteuerten 2D-MoTe2-Schichten im Wafermaßstab. Die Typ-II-Weyl-Halbmetall-1T‘-MoTe2-Schichten wurden direkt auf einem vorstrukturierten Si-Substrat abgeschieden, um in-situ einen vertikalen 1T‘-MoTe2/Si-Schottky-Übergang herzustellen. Die hochwertige Schottky-Übergangsschnittstelle und die vertikale Gerätestruktur mit Graphenelektroden sorgen für einen effizienten Trägertransport und reduzieren die Trägerrekombination, wodurch der Detektor einen Ultrabreitband-Detektionsbereich von bis zu 10,6 μm und eine spezifische Detektivität bei Raumtemperatur von über 108 Jones in the erreicht mittleren Infrarotbereich. Die 2D-MoTe2-Schichten im Wafermaßstab ermöglichen auch die erfolgreiche Implementierung des integrierten Gerätearrays für hochauflösende, ungekühlte Bildgebung im mittleren Infrarotbereich.
In dieser Studie wurde ein vorab abgeschiedener Mo-Film als Vorläufer über einen vdW-Wachstumsmechanismus durch einen direkten thermisch unterstützten Tellurisierungsprozess in eine 2D-MoTe2-Schicht umgewandelt. Tatsächlich hängt der Phasenübergang von MoTe2 stark von der Wachstumszeit ab. Durch Steuern der Wachstumszeit wurden 2-Zoll-2H- bzw. 1T‘-MoTe2-Schichten mit guter Gleichmäßigkeit erhalten. Dank der einfachen und skalierbaren thermisch unterstützten Tellurisierungsstrategie konnte die Dicke der 2D-MoTe2-Schichten durch Einstellen der anfänglichen Mo-Filmdicke genau angepasst werden.
Das vdW-Wachstum der großflächigen 2D-MoTe2-Schichten bietet mehr Flexibilität für die Entwicklung hochempfindlicher optoelektrischer Bauelemente. Angesichts dessen wurde eine 1T‘-MoTe2/Si-Vorrichtung mit vertikalem Schottky-Übergang durch in-situ-VdW-Wachstum von 1T‘-MoTe2-Schichten auf einem vorstrukturierten Si-Substrat entwickelt. Um die effiziente Ladungsträgersammlung sicherzustellen, wurde einlagiges Graphen als oberer transparenter Kontakt mit einer 1T‘-MoTe2-Schicht ausgewählt. Der Fotodetektor weist eine hochempfindliche, batteriebetriebene Ultrabreitband-Detektionsleistung mit einem Detektionsbereich von bis zu 10,6 µm und einer großen spezifischen Detektivität bei Raumtemperatur von über 108 Jones im mittleren Infrarotbereich (MIR) auf. Die erzielte spezifische Detektionsfähigkeit bei Raumtemperatur ist den meisten 2D-Material-basierten IR-Detektoren und einigen kommerziellen Detektoren überlegen.
Angesichts der überlegenen IR-Erfassungsfähigkeit des Fotodetektors wurde die IR-Bildgebung bei Raumtemperatur mit der Gr/1T‘-MoTe2/Si-Schottky-Übergangsvorrichtung weiter untersucht. Das Fotostromabbildungsbild des „LWIR“-Musters mit einem großen Stromkontrastverhältnis über 10 und scharfen Kanten wurde von einem einzelnen Detektor unter der IR-Beleuchtung von 10,6 &mgr;m bei Raumtemperatur erhalten. Darüber hinaus ermöglicht die großflächige gleichförmige 2D-MoTe2-Schicht die Herstellung eines 8 × 8 1T‘-MoTe2/Si-Schottky-Übergangs-Bauelementarrays für IR-Bildgebungsanwendungen.
Bei MIR-Laserbeleuchtung führt der große Unterschied zwischen den Strömen der belichteten und unbelichteten Pixel zu einem hochauflösenden herzförmigen Bild mit großen Stromverhältnissen von 100, 68 und 51 für 3,0, 4,6 und 10,6 μm Laserbeleuchtung bei Raum -Temperatur bzw. Eine solch hervorragende Bildgebungsfähigkeit bei Raumtemperatur mit guter Homogenität des Gerätearrays macht diese Entdeckung vielversprechend für MIR-Bildgebungsanwendungen. Das Wachstum von 2D-MoTe2-Schichten im Wafermaßstab, die mit der Si-Technologie kompatibel sind, zeigt ein großes Potenzial für On-Chip-Si-CMOS-Systeme der nächsten Generation mit geringem Stromverbrauch und kostengünstiger Produktion.
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Di Wu et al, Phasengesteuertes Van-der-Waals-Wachstum von 2D-MoTe2-Schichten im Wafermaßstab für integrierte hochempfindliche Breitband-Infrarot-Photodetektion, Licht: Wissenschaft & Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-022-01047-5