暨南大学关贺元/卢惠辉教授团队LPR：异质混合集成非线性与电场调控的光电器件

 近日，暨南大学必赢76net线路光波导集成技术与器件团队的关贺元教授、杨铁锋副教授、卢惠辉教授团队在异质混合集成光电器件领域发表论文，题为“Efficient Electrical Extraction of Nonlinear Response and Large Linear Dynamic Range Implementation in MoS₂/BaTiO₃ Hetero-Integrated Photodetector ”的重要研究成果发表在光学工程学科高水平期刊“Laser & Photonics Reviews”（影响因子11.0）上。

 图1. 异质结器件结构和原理示意图

研究背景：集成光电探测在光通信、光学成像系统、医疗诊断和环境监测等领域扮演关键角色。目前，研究人员主要关注于通过材料优化和器件架构设计来提高光电转换效率，但却忽视了极端工作条件下的可靠性。传统的光电探测器在弱光下能够有效地将光子能量转换为电流，实现较高的光电转换效率。然而，在强光照射下，半导体的吸收通常有限，容易发生饱和吸收现象，导致成像应用中难以获得明显对比度差异并产生图像畸变，即光电探测器的致盲效应。此外，强光还会引发严重的热效应和过流问题，加速探测器的退化和损坏。

研究动机： 强光会引发严重热效应和过流问题从而导致加速探测器退化损坏。通常可减弱入射光强度或增加后端自动增益控制电路减轻强光致盲效应。但这些方法会导致庞大器件结构，不利于实现高度紧凑的集成度。因此，根据器件本身工作机制解决问题仍是巨大挑战。二次谐波生成（SHG）是强光场景中典型非线性光学效应之一，在高分辨成像、光产生和非线性电光调制等领域具有重要应用潜力。在强光激发下，二次谐波由二阶非线性极化率产生，基波能量不仅可以用于产生SHG，还能通过热耗散、离子声子散射、多光子吸收等途径耗散来有效降低入射光功率，启发我们解决光电探测器的饱和吸收致盲效应的物理策略。

研究进展：本研究通过微纳制备工艺，将具有四方相结构的铁电BaTiO₃与空气稳定、高导电性的二维MoS₂垂直集成堆叠的MoS₂/BaTiO₃异质结构并进行了系统研究。研究发现，高导电性的MoS₂可以弥补单一BaTiO₃的电荷输运不足，而铁电BaTiO₃有助于扩大原始MoS₂的探测波段，从而显著改善了异质结构器件在可见光和近红外波段的光响应。优化后的MoS₂/BaTiO₃异质集成器件在0.2 nW的辐照下获得了17402 A/W的高光响应度，在8 mW的光辐照下能够产生570 μA的高光电流，线性动态范围（LDR）指数达到152 dB，在层状半导体集成探测器中处于顶尖水平。

 图2. 405 nm激光辐照下MoS₂/BaTiO₃光电探测器的性能

 然而由于两种组分的电导率差异较大，实际上异质结器件光电响应性能的提升并不是由单一的导电通道扩大为主要因素。为了探究器件的增强机理，设计了电场和光场协同调控的测试实验，实验结果表明这种增强效应可以用BaTiO₃和MoS₂之间的互补机理来解释：铁电BaTiO₃的极化强度对电场和光场都很敏感，BaTiO₃薄膜可以提供门控MoS₂沟道的局部铁电场，从而有效调节MoS₂的费米能级高度，改变其电导率，最终将外场刺激转化为电信号的增强。此外，BaTiO₃本身的不对称性可以通过SHG将强功率近红外光上转换为可见波段，并且倍频光可以被MoS₂层吸收并导致光电流的增加。随着功率由弱到强的不断增加，光响应度呈现出先下降后增加的反常特征，通过对BaTiO₃进行非线性光谱表征说明光响应度在强光照射下单调增加的部分主要来自非线性上转换机制的贡献。这一结果表明可以通过非线性上转换实现近红外探测，具有拓宽响应带范围、满足强光照射下可靠运行要求的优点，这在克服饱和吸收引起的强光致盲领域具有很大的潜力。

 图3. MoS₂/BaTiO₃器件的非线性上转换光探测特性

 这项工作强调了层状半导体与铁电薄膜之间异质互补集成的重要性，其中铁电极化和本征的不对称特性可以用来解决探测领域存在的难点。这一工作标志着利用铁电薄膜与二维半导体的异质集成来构建高性能光电器件取得重要进展。这项研究工作得到了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、国家重大专项、广东省自然科学杰出青年基金、广东省国际合作项目和暨南大学等项目大力支持。

论文信息：

题目：Efficient Electrical Extraction of Nonlinear Response and Large Linear Dynamic Range Implementation in MoS₂/BaTiO₃ Hetero-Integrated Photodetector

作者：Heyuan Guan, Fengli Liu, Zhigang He, Hanrong Xie, Manyan Xie, Ziliang Fang, Mingxu Yang, Bingyu Chen, Xijie Liang, Fang Li, Yuming Wei, Tiefeng Yang, Huihui Lu

期刊：Laser & Photonics Reviews

DOI: 10.1002/lpor.202400445

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202400445

 （图、文：刘俸利）