光電探測器是多種光學(xué)和光電應用的核心器件，近日，中國科學(xué)院長(cháng)春光機所發(fā)光學(xué)及應用國家重點(diǎn)實(shí)驗室黎大兵研究員、李紹娟研究員與新加坡國立大學(xué)仇成偉教授、電子科技大學(xué)魏靜軒教授合作，報道了一種創(chuàng )新的方法來(lái)同步提升光電探測器的響應度和響應速度，為解決探測器響應度和速度相互制衡的領(lǐng)域難題提供了一種新的策略。相關(guān)成果以標題為“Photogating－assisted　tunneling　boosts　the　responsivity　and　speedof　heterogeneous　WSe₂/Ta₂NiSe₅　photodetectors?”發(fā)表在Nature　Communications上。

近年來(lái)，光子集成電路、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化等新興技術(shù)的高速發(fā)展推動(dòng)著(zhù)光電探測器向著(zhù)高性能、低功耗和多功能的方向變革。以石墨烯為代表的二維材料具有強的光－物質(zhì)相互作用、可調帶隙以及原子級銳利異質(zhì)界面等優(yōu)勢，此外，與現有半導體產(chǎn)線(xiàn)之間具有很好的兼容性，為實(shí)現高性能的光電探測器件提供了一個(gè)豐富研究平臺。迄今為止，光柵壓效應是實(shí)現高響應度二維材料光電探測器的主要工作機制，可以實(shí)現超高的響應度（10³-10⁷ A/W）。然而，由于材料內部的缺陷態(tài)對光生載流子的俘獲，導致了長(cháng)的載流子壽命，從而犧牲了器件的響應速度（通常在毫秒范圍），極大地限制了器件在成像等方面的實(shí)際應用。截至目前，如何克服響應度和速度之間的權衡問(wèn)題并拓展光電探測器的功能仍然非常具有挑戰性。

研究團隊從增益的底層物理出發(fā)，從一個(gè)新的角度報道了一種WSe₂/Ta₂NiSe₅異質(zhì)結光電探測器，提出的新的物理機制—光柵壓輔助隧穿效應—可以同時(shí)提高光探測增益和響應速度。一方面載流子隧穿過(guò)程可以大大縮短器件的傳輸時(shí)間，顯著(zhù)提高光電探測增益，可以實(shí)現較高的響應度（10³ A/W）。另一方面，通過(guò)調控材料內部的陷阱態(tài)，也可以縮短載流子壽命，從而實(shí)現較快的響應速度（～1μs）。因此同步的調控了光生載流子壽命和渡越時(shí)間，改善了器件響應度和速度之間的權衡的問(wèn)題。

圖1．二維異質(zhì)結構光電探測器中的偏置可調傳輸行為。a，二維材料光電探測器響應度和速度之間權衡的圖示。b，WSe₂/Ta₂NiSe₅異質(zhì)結構器件示意圖。c，暗態(tài)下器件的源極－漏極　I－V曲線(xiàn)。d，在白光源照射下，器件在不同源漏偏壓V_ds下的轉移曲線(xiàn)（I_ds-V_gs）。

在器件功能方面，由于Ta₂NiSe₅材料具有面內各向異性的晶體結構，導致其光生載流子的數量對入射光的偏振方向敏感，體現出偏振各向異性響應。此外，施加的源－漏極偏置可以改變器件在光柵壓過(guò)程中光生載流子的散射，導致器件的各向異性光響應是偏置可調和波長(cháng)敏感的。進(jìn)一步，在簡(jiǎn)單的雙電極配置條件下，利用器件的光響應對偏壓和波長(cháng)的依賴(lài)性使我們有望通過(guò)掃描偏壓來(lái)區分不同的波長(cháng)，在波長(cháng)分辨等方面的應用具有巨大的發(fā)展前景。

圖2．WSe₂/Ta₂NiSe₅異質(zhì)結中光柵壓誘導的偏振光響應和波長(cháng)分辨能力。a-b，不同偏壓V_ds?下1310nm照明下的偏振光電流彩色圖。WSe2／Ta2NiSe5光電探測器的光響應可以通過(guò)V_ds和入射光偏振角θ進(jìn)行調節。c，1310nm　照明下的偏振光電流。不同偏壓下的光電流表現出與偏振角θ相同的依賴(lài)性。d，從偏振光電流中提取的偏振敏感部分R₁ (V_ds, l)。?R₁取決于偏置電壓V_ds和入射光波長(cháng)l。e，各向異性比率β，R₁/R₀，從偏振光電流的偏振不敏感（R₀）和敏感（R₁）中提取。f，計算不同波長(cháng)之間的相關(guān)矩陣，相關(guān)系數corr{R₁(V_ds, l=l₁), R₁(V_ds, l=l₂)} ，其中l₁ 和 l₂是兩個(gè)不同的波長(cháng)。

相關(guān)工作成果解決了響應度和速度之間的權衡，并實(shí)現寬帶可波長(cháng)分辨的偏振光電探測，為探索新穎的偏振成像、高對比度偏振器、小型光譜儀等片上光電應用提供了可能性。

中國科學(xué)院長(cháng)春光學(xué)精密機械與物理研究所是本研究論文的第一通訊單位，中國科學(xué)院長(cháng)春光機所黎大兵研究員、李紹娟研究員、新加坡國立大學(xué)仇成偉教授為論文共同通訊作者。中國科學(xué)院長(cháng)春光機所博士生劉明秀，電子科技大學(xué)魏靜軒教授，中國科學(xué)院長(cháng)春光機所助理研究員戚劉健，為論文共同第一作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委創(chuàng )新群體、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目的資助。

文章鏈接：https：//doi．org/10.1038/s41467-023-44482-7