2DM编辑优选：复旦大学团队利用晶圆级二维半导体成功制备光伏型光电传感器阵列
文章介绍
Xinyu Chen（陈新宇）, Honglei Chen（陈洪雷）, Yangye Sun, Simeng Zhang, Yin Xia, David Wei Zhang, Peng Zhou, Wenwu Li（李文武）, Zhengzong Sun（孙正宗）, Wenzhong Bao（包文中）
通讯作者：
- 包文中，复旦大学微电子学院专用集成电路与系统国家重点实验室
- 孙正宗，复旦大学微电子学院专用集成电路与系统国家重点实验室
- 李文武，复旦大学光电研究院上海市智能光电子与感知前沿科学研究基地
该工作还得到了科技部重点研发计划纳米前沿专项、国家自然科学基金委、上海市科委集成电路科技支撑专项、张江复旦国际创新中心集成电路创新平台的支持。
研究背景：
图像传感芯片广泛应用于军事，航空航天，消费电子，自动驾驶及民用安防等方面。目前先进图像传感器需要满足室温工作、高算力、低功耗及小体积的综合需求，这对材料提出了更高的要求。二维半导体材料则具有原子层厚度、表面无悬挂键、易于集成等特性。其高度可调的带宽也使其具有超宽光谱响应范围。例如，基于二维MoS2的光电探测器在532nm可见光下具有高响应率和探测率，而MoTe2制备的光电探测器则可以工作在1550nm红外通信波长。此外，二维半导体制作的逻辑和模拟电路，还可以构成光电传感阵列的外围电路，实现片内感算集成。不过，尽管目前学术界使用机械剥离的微米级二维材料异质结进行了小规模器件的深入研究，但基于晶圆级材料的大规模阵列和电路的制作和性能测试仍鲜有报道。
研究内容：
在这项工作中，报道了一种基于化学气相沉积(CVD)连续生长MoTe2和MoS2薄膜的晶圆级批量制备p-MoTe2/n-MoS2异质结阵列。采用可靠的逐层真空叠加转移方法，使MoTe2/MoS2结界面不受污染，从而保证了结内的电子隧穿过程，得到了理想的栅调控整流特性，整流比超过103。
图1. MoS2-MoTe2 p-n异质结的整流效应。
由于MoTe2和MoS2的能带结构匹配实现了Ⅱ型能带对准，有效的电子-空穴分离导致了高度敏感的光响应，并显示出强烈的波长依赖性和入射光功率密度依赖性。同时由于其内置电场和Ⅱ型能带对准，制备得到的异质结还可以在零偏置电压下产生自供电的光电流，光电流开/关比显著达到~103，且具有较快的响应速度。
图2. MoS2-MoTe2 p-n异质结的光电特性。
此外，该工作还将p型MoTe2晶体管和n型MoS2晶体管通过片内集成制作了可以工作的反相器逻辑单元，初步实现互补电路工艺（CMOS），虽然器件性能还有待提升，但也提供了未来利用二维材料构建复杂逻辑电路的一种可行性。
图3. n-MoS2/p-MoTe2 互补反相器的电学特性。
该研究结果表明，不同能带结构的二维半导体组合（如MoTe2和MoS2），既可以成构筑工作在多个波段的大面积光电探测器，也可以制作数模混合电路。这为未来低功耗、宽光谱及高信息处理能力的新型光电图像传感器开辟了新的可能性。
期刊介绍
- 2021年影响因子：6.861 Citescore:11.6
- 2D Materials（2DM）是一本重要的高质量交叉学科期刊，将基础研究与迅速发展的新材料及应用汇集在一起。期刊从多学科的视角出发，力争涵盖石墨烯研究的各个方面，及其它二维材料的相关研究。文章内容包括：石墨烯和石墨烯衍生材料；硅和锗/锗烷氮化硼；二维拓扑绝缘子；复合氧化物；复合材料；新型二维分层结构。