La détection dans plusieurs régions infrarouges (IR) allant de l’IR à ondes courtes et moyennes à longues joue un rôle important dans divers domaines, de la recherche scientifique aux applications technologiques de grande envergure, y compris l’identification de cibles, l’imagerie, la surveillance à distance et la détection de gaz. Actuellement, les photodétecteurs IR de pointe sont principalement dominés par les semi-conducteurs conventionnels à bande interdite étroite, notamment In1-xGaxAs, InSb et Hg1-xCdxTe, fonctionnant en IR à ondes courtes (SWIR, 1-3 µm), IR à ondes moyennes (MWIR, 3-6 µm) et bandes spectrales IR à ondes longues (LWIR, 6-15 µm), respectivement.
Notamment, ces photodétecteurs reposent non seulement sur un processus de croissance à haute température des matières premières et une technique de traitement complexe, mais souffrent également des conditions de refroidissement cryogénique avec une consommation de temps et d’énergie élevée. De plus, il reste plusieurs défis technologiques, tels qu’une mauvaise compatibilité métal-oxyde-semi-conducteur complémentaire (CMOS), une taille de module encombrante et une faible efficacité, qui limitent considérablement l’application plus large de ces détecteurs.
Dans un nouvel article publié dans Sciences de la lumière et applications, les professeurs Di Wu et Xinjian Li de l’Université de Zhengzhou, le Dr Longhui Zeng de l’Université de Californie-San Diego et le professeur Jiansheng Jie de l’Université de Soochow ont démontré une voie de tellurisation assistée thermiquement facile pour la croissance de van der Waals (vdW) de couches 2D MoTe2 contrôlées en phase à l’échelle de la tranche. Les couches de semi-métal Weyl de type II 1T′-MoTe2 ont été directement déposées sur un substrat Si préstructuré pour fabriquer in situ une jonction Schottky verticale 1T’-MoTe2/Si. L’interface de jonction Schottky de haute qualité et la structure verticale du dispositif avec des électrodes en graphène assurent un transport efficace des porteurs et réduisent la recombinaison des porteurs, permettant au détecteur d’atteindre une plage de détection ultra large bande allant jusqu’à 10,6 μm et une détectivité spécifique à la température ambiante de plus de 108 Jones dans le région de l’infrarouge moyen. Les couches MoTe2 2D à l’échelle de la tranche permettent également de mettre en œuvre avec succès le réseau de dispositifs intégrés pour l’imagerie infrarouge moyen non refroidie à haute résolution.
Dans cette étude, un film Mo pré-déposé en tant que précurseur a été transformé en couche 2D MoTe2 via un mécanisme de croissance vdW via un processus de tellurisation directe assistée par la chaleur. En fait, la transition de phase de MoTe2 dépend fortement du temps de croissance. En contrôlant le temps de croissance, des couches de 2 pouces 2H et 1Tʹ-MoTe2 avec une bonne uniformité ont été obtenues, respectivement. Grâce à la stratégie de tellurisation assistée thermique facile et évolutive, l’épaisseur des couches 2D MoTe2 pourrait être adaptée avec précision en ajustant l’épaisseur initiale du film Mo.
La croissance vdW des couches 2D MoTe2 de grande surface offre plus de flexibilité pour le développement de dispositifs optoélectriques à haute sensibilité. À la lumière de cela, un dispositif à jonction Schottky verticale 1Tʹ-MoTe2 / Si a été développé par la croissance vdW in situ de couches 1Tʹ-MoTe2 sur un substrat Si pré-structuré. Pour assurer une collecte efficace des porteurs, du graphène monocouche a été sélectionné comme contact transparent supérieur avec une couche 1Tʹ-MoTe2. Le photodétecteur démontre des performances de détection ultra large bande auto-alimentées à haute sensibilité avec une plage de détection allant jusqu’à 10,6 µm et une grande détective spécifique à température ambiante de plus de 108 Jones dans la gamme de l’infrarouge moyen (MIR). La détectivité spécifique à température ambiante obtenue est supérieure à la plupart des détecteurs IR à base de matériaux 2D et à certains détecteurs commerciaux.
Compte tenu de la capacité de détection IR supérieure du photodétecteur, l’imagerie IR à température ambiante a été explorée plus avant avec le dispositif à jonction Gr/1Tʹ-MoTe2/Si Schottky. L’image de cartographie photocourante du motif « LWIR » avec un grand rapport de contraste de courant supérieur à 10 et des arêtes vives a été obtenue à partir d’un détecteur individuel sous l’éclairage IR de 10, 6 μm à température ambiante. De plus, la couche MoTe2 2D uniforme à grande échelle permet la fabrication d’un réseau de dispositifs à jonction 8 × 8 1Tʹ-MoTe2/Si Schottky pour l’application d’imagerie IR.
Lors de l’éclairage laser MIR, la grande différence entre les courants des pixels exposés et non exposés se traduit par une image en forme de cœur haute résolution avec de grands rapports de courant de 100, 68 et 51 pour un éclairage laser de 3,0, 4,6 et 10,6 μm à la pièce -température, respectivement. Une telle excellente capacité d’imagerie à température ambiante avec une bonne homogénéité du réseau de dispositifs donne à cette découverte une grande promesse pour les applications d’imagerie MIR. La croissance à l’échelle de la tranche de couches 2D MoTe2 compatibles avec la technologie Si montre un grand potentiel pour les systèmes CMOS Si sur puce de nouvelle génération avec une faible consommation d’énergie et une production à faible coût.
Plus d’information:
Di Wu et al, Croissance de van der Waals à commande de phase de couches MoTe2 2D à l’échelle d’une tranche pour la photodétection infrarouge à large bande haute sensibilité intégrée, Lumière : science et applications (2023). DOI : 10.1038/s41377-022-01047-5