基于Si/SOI晶圓鍵合剝離的高質(zhì)量超純本征硅薄膜的穩(wěn)定自供電寬帶PtSe2/Si Pin 紅外光電探測(cè)器
導(dǎo)言
二維過(guò)渡金屬二硫化物（TMDs）由于其表面無(wú)懸垂鍵、可調(diào)節(jié)的帶隙和高載流子遷移率等特性，在光電器件領(lǐng)域具有巨大潛力。其中，二硒化鉑（PtSe2）被認(rèn)為是制備高性能紅外光電探測(cè)器的理想材料之一。其層間可調(diào)帶隙范圍為0-1.2 eV，可通過(guò)改變薄膜厚度實(shí)現(xiàn)從半導(dǎo)體到半金屬的轉(zhuǎn)變，吸收光譜覆蓋可見(jiàn)光到中紅外波段。然而，目前報(bào)道的大多數(shù)2D-3D結(jié)合的器件均為p-n異質(zhì)結(jié)器件，采用輕摻雜或重?fù)诫s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(shí)，二維材料與輕摻雜或重?fù)诫s的n型襯底的接觸界面存在較多缺陷，導(dǎo)致光生載流子在界面分離時(shí)存在嚴(yán)重復(fù)合損失，使得光電流與光功率之間的擬合值θ無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)。光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和界面優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性、接近理想狀態(tài)以及寬光譜紅外探測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題。
相關(guān)成果以“基于Si/SOI晶圓鍵合剝離的高質(zhì)量超純本征硅薄膜的穩(wěn)定自供電寬帶PtSe2/Si Pin 紅外光電探測(cè)器”為題發(fā)表。原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c17831。希望該研究能為您的科學(xué)研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)一些靈感和啟發(fā)。
正文
二維過(guò)渡金屬二硫化物（TMDs）因其表面無(wú)懸垂鍵、可調(diào)帶隙和高載流子遷移率等特性，在光電器件領(lǐng)域備受關(guān)注。PtSe2 作為一種極具前景的 TMDs 材料，其帶隙可通過(guò)改變薄膜厚度在 0-1.2 eV 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，覆蓋從可見(jiàn)光到中紅外譜區(qū)的吸收范圍。此外，PtSe2 具有高載流子遷移率和化學(xué)穩(wěn)定性，有助于實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)時(shí)間和良好的空氣穩(wěn)定性。
過(guò)去五年中，研究人員致力于開(kāi)發(fā)集成 PtSe2 與塊體材料的 p-n 異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器。例如，2021 年 Lu 等人在鍺（Ge）基底上構(gòu)建了多層 PtSe2/Ge 異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器陣列；2022 年 Ye 等人通過(guò)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(qū)動(dòng)光電探測(cè)器；2023 年 Li 等人實(shí)現(xiàn)了二維 PtSe2 薄膜在鈍化 Ge 基底上的垂直生長(zhǎng)，構(gòu)建了 PtSe2/Ge 肖特基結(jié)光電探測(cè)器；2024 年 Wang 等人通過(guò)在銦磷（InP）晶片上垂直堆疊二維 PtSe2 薄膜，開(kāi)發(fā)出自供電近紅外肖特基結(jié)光電探測(cè)器。然而，這些 2D-3D 結(jié)合器件均為 p-n 異質(zhì)結(jié)，且所用襯底為輕摻雜或重?fù)诫s n 型襯底，存在諸多缺陷，影響了載流子的有效傳輸，并導(dǎo)致光生載流子在界面分離時(shí)的復(fù)合損失嚴(yán)重，θ 值未能達(dá)到理想狀態(tài)。
鑒于此，本研究采用疏水鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)氣泡、高強(qiáng)度、無(wú)氧化層的 n+-Si/SOI 晶片鍵合，剝離出高質(zhì)量超純 i-Si 層，制備出新型 p-PtSe2/i-Si/n+-Si pin 光電探測(cè)器。該器件在室溫下實(shí)現(xiàn)了從 532 到 2200 nm 的寬譜探測(cè)，整流比高達(dá) 2.1×10?，θ 值在 3.5 mW 光功率范圍內(nèi)達(dá)到理想狀態(tài)的 1，響應(yīng)度（R）和比探測(cè)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(yōu)異的穩(wěn)定性，理想因子（n）低至 1.2，接近理想狀態(tài)，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(fù)合機(jī)制。這項(xiàng)工作首次將晶片鍵合與二維材料轉(zhuǎn)移相結(jié)合，構(gòu)建范德華異質(zhì)結(jié)，為 2D-3D 硅基 pin 光電探測(cè)器的制造提供了新方法。
結(jié)果與討論
器件制備與結(jié)構(gòu)表征
研究團(tuán)隊(duì)采用疏水鍵合技術(shù)制備 i-Si/n+-Si 襯底。通過(guò) RCA 方法對(duì) SOI 晶片和 n+-Si 晶片進(jìn)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(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鍵合。通過(guò)機(jī)械研磨和化學(xué)腐蝕方法剝離出高質(zhì)量超純 i-Si 頂層，形成 i-Si/n+-Si 結(jié)構(gòu)。接著，采用熱輔助轉(zhuǎn)換法（TAC）制備 PtSe2 薄膜，將其轉(zhuǎn)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(cè)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(shù)據(jù)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(guān)系圖。
材料結(jié)構(gòu)與晶體質(zhì)量分析
研究團(tuán)隊(duì)使用拉曼光譜儀（ZOLIX, RTS-mini）、X 射線衍射儀（XRD Rigaku Ultima IV）、掃描聲學(xué)顯微鏡（CSAM, UESTAR, AM-300）等設(shè)備對(duì) PtSe2 薄膜及器件的結(jié)構(gòu)特性、晶體質(zhì)量、鍵合界面氣泡狀況及鍵合面積等進(jìn)行了全面表征。結(jié)果表明，所制備的 PtSe2 薄膜具有高結(jié)晶度和單向取向，XPS 分析進(jìn)一步確認(rèn)了 Pt 和 Se 原子的化學(xué)成分和結(jié)合能，SEM 和 AFM 測(cè)試顯示 PtSe2 薄膜具有大面積均勻性和高質(zhì)量的表面形貌。
光電性能測(cè)試與分析
研究還對(duì)比了線性PEI（PEIL）、支化PEI（PEIB）和乙氧基化PEI（PEIE）的鈍化效果。結(jié)果表明，PEIE在溶液加工性和界面鈍化效果上具有*佳平衡。支化PEI雖然也能提升Voc，但對(duì)Jsc的影響較大；而線性PEI則對(duì)Voc提升有限。
圖2 （a）器件結(jié)構(gòu)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(yīng)。
本文中使用的拉曼探測(cè)系統(tǒng)是卓立漢光公司的RTS-mini 經(jīng)濟(jì)型光纖共焦拉曼系統(tǒng)。擁有Plug-in 特點(diǎn)的RTS-mini 共聚焦拉曼顯微系統(tǒng)，可跟多種顯微鏡和光譜儀聯(lián)用，提供極佳的靈敏度和空間分辨率。除了在現(xiàn)有的顯微鏡上升級(jí)共聚焦系統(tǒng)外，通過(guò)靈活地配置光譜儀和探測(cè)器，可以打造出針對(duì)客戶應(yīng)用的專屬系統(tǒng)配置。廣泛用于各類工業(yè)應(yīng)用，如質(zhì)檢，安檢，刑偵，生物醫(yī)療，制藥等需要高拉曼靈敏度的應(yīng)用領(lǐng)域，并且由于可提供免費(fèi)的軟件開(kāi)發(fā)包，并且提供Micromanager 接口，使得系統(tǒng)的后續(xù)開(kāi)發(fā)及聯(lián)用工作可以輕松展開(kāi)。
本文中使用的光電測(cè)試系統(tǒng)是卓立漢光公司的DSR300微納器件光譜響應(yīng)度測(cè)試系統(tǒng)。DSR300微納器件光譜響應(yīng)度測(cè)試系統(tǒng)是一款專用于低微材料光電測(cè)試的系統(tǒng)。其功能全面，提供多種重要參數(shù)測(cè)試。系統(tǒng)集成高精度光譜掃描，光電流掃描以及光響應(yīng)速率測(cè)試。40μm探測(cè)光斑，實(shí)現(xiàn)百微米級(jí)探測(cè)器的絕對(duì)光譜祥響應(yīng)度測(cè)量。超高穩(wěn)定性光源支持長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)測(cè)試，豐富的光源選擇以及多層光學(xué)光路設(shè)計(jì)可擴(kuò)展多路光源，例如超連續(xù)白光激光器，皮秒脈沖激光器，半導(dǎo)體激光器，鹵素?zé)?，氙燈等，滿足不同探測(cè)器測(cè)試功能的要求，是微納器件研究的優(yōu)選。
響應(yīng)速度與穩(wěn)定性測(cè)試
研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)器件的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。在 -2 V 偏壓下，器件在 1000 Hz 光照頻率下的響應(yīng)曲線顯示出較為穩(wěn)定的光電響應(yīng)，上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為約 70 μs 和 290 μs。經(jīng)過(guò) 1700 次重復(fù)刺激后，器件仍保持一致的光響應(yīng)，光電流衰減極小，證明了器件具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。
圖3（a）能帶結(jié)構(gòu)圖。（b）時(shí)域光響應(yīng)特性。（c）開(kāi)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(yīng)度與比探測(cè)度隨入射光功率的變化關(guān)系。（g）器件的線性動(dòng)態(tài)范圍（LDR）。（h）光電流與光功率的擬合曲線。（i）本文與其它文獻(xiàn)中擬合參數(shù)的對(duì)比。
結(jié)論
本研究通過(guò)結(jié)合傳統(tǒng)晶片鍵合技術(shù)和二維材料薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)，成功制備了 p-PtSe2/i-Si/n+-Si pin 光電探測(cè)器。該器件展現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能和穩(wěn)定性，包括高整流比、低理想因子、寬譜響應(yīng)以及理想的 θ 值等。與常規(guī) 2D-3D p-n 異質(zhì)結(jié)相比，高質(zhì)量 i-Si 層的引入增強(qiáng)了 p-PtSe2 與 Si 的粘附性，減少了界面缺陷復(fù)合，提高了器件穩(wěn)定性。這一成果為未來(lái)高性能 2D-3D 光電探測(cè)器的發(fā)展提供了新的理論見(jiàn)解和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
通訊作者及其團(tuán)隊(duì)介紹
柯少穎，閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院副教授，福建省光場(chǎng)操縱與系統(tǒng)集成應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成員。長(zhǎng)期致力于低維材料光電器件領(lǐng)域的研究，主持和參與多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金、福建省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目，在 ACS Applied Materials & Interfaces 等期刊發(fā)表多篇高水平論文，為推動(dòng)低維材料在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)。
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