基于MoS2/GaN范德华异质结的单行载流子光电二极管实现高速可见光探测

《Nature Communications》：Uni-traveling-carrier photodiode based on MoS2/GaN van der Waals heterojunction for high-speed visible-light detection

本刊推荐一项突破性研究：为解决可见光区高速光电探测的难题，研究人员开展了基于MoS2/GaN范德华异质结的单行载流子光电二极管（UTC-PD）研究。通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延生长MoS2层，实现了类型II能带对齐和快速垂直载流子传输。该器件在可见光全波段实现约1%的量子效率，频率响应达5 GHz，比传统器件快3-6个数量级，为高速可见光通信（Li-Fi）和水下通信等应用开辟新途径。

　　

在高速光电子学领域，单行载流子光电二极管（UTC-PD）因其高饱和功率和宽带宽特性已成为不可或缺的核心元件。然而，将工作波长扩展至可见光区却面临重大挑战——传统III-V族半导体难以同时满足能带对齐和晶格匹配的要求。特别是氮化镓（GaN）基材料需要插入铟镓氮（InGaN）三元合金来调整吸收边至可见光范围，但量子阱结构会导致载流子逃逸动力学变慢，使带宽通常局限在数百MHz到几个GHz。这一瓶颈严重制约了可见光通信（Li-Fi）、水下通信和高分辨率距离传感等应用的发展。

近日，日本日亚化学公司与理化学研究所的联合团队在《Nature Communications》发表了一项创新研究，他们成功构建了基于二硫化钼（MoS₂）/GaN范德华异质结的UTC-PD，实现了可见光区数GHz的高速探测。这一突破性进展为高速可见光电子学开辟了新的材料路径。

研究人员采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在GaN/蓝宝石衬底上直接外延生长MoS₂吸收层，通过扫描透射电子显微镜（STEM）和拉曼光谱确认了2-4层MoS₂的晶体质量和原子级平整界面。开尔文探针力显微镜（KPFM）测量揭示了0.26 eV的导带偏移量，证实了类型II能带对齐结构。器件制备采用光刻和反应离子刻蚀（RIE）工艺形成台面结构，敏感区域直径为60μm。

MoS₂/GaN类型II异质结的形成

研究团队通过能带结构设计（图1a）实现了UTC-PD的工作机制：光子在被MoS₂层吸收后产生电子-空穴对，空穴快速扩散至阳极，而电子则通过类型II异质结注入i-GaN收集层。拉曼光谱显示E_2g和A_1g峰频差22 cm^-1（图1b），表明MoS₂为双层或三层结构。STEM图像（图1c）证实了外延生长质量，得益于0.8%的微小晶格失配。吸收光谱（图1d）显示出MoS₂的A、B、C激子特征峰，覆盖整个可见光区。

表面电位和能带对齐分析

KPFM mapping（图2a）清晰显示了MoS₂与GaN之间的表面电位差，线扫描数据（图2b）定量给出了0.26 eV的导带偏移量（图2c）。这一能带对齐结构确保了光生电子从MoS₂向GaN层的高效注入，为UTC-PD工作机制奠定了基础。

器件结构和电学特性

激光显微镜图像（图3a）显示了制作的器件三维形貌，采用衬底背面照明设计（图3b）。电流-电压（I-V）特性测量（图3c）显示出明显的二极管整流特性，光照下光电流响应良好。传输线模型（TLM）测量确认了欧姆接触特性，表明整流行为源于异质结而非肖特基势垒。

实验验证

大信号测试中（图4a），器件光电流信号完美跟随100μs脉冲光波形，响应速度比已报道的MoS₂/GaN光电探测器快3-6个数量级。功率依赖性测试（图4b）显示光电流与输入功率呈现优异线性关系（图4c），在约100 W/cm²功率密度下未观察到饱和现象。

频率响应测试（图5）显示器件在4 V反向偏压下达到-3dB带宽约5 GHz，这一响应可由RC低通滤波器模型完美解释（R_load=50Ω，C_j=0.8 pF）。值得注意的是，这一截止频率既非受限于MoS₂层中的载流子逃逸延迟，也非受限于i-GaN层中的载流子渡越时间，表明通过优化器件结构可进一步提升带宽至数十GHz。

波长依赖性测试（图6a-d）显示器件在整个可见光区（405nm、465nm、530nm、620nm）均有响应，内量子效率（图6e）在405nm处最高（约5%），长波长处较低（约1%）。密度泛函理论（DFT）计算（图6f）表明，这种波长依赖性源于晶体动量失配——B激子跃迁（620nm）在K点产生的电子难以有效转移到GaN的Γ点，而C激子跃迁（405nm）在Γ点的电子转移效率更高。

讨论与结论

本研究成功实现了基于MoS₂/GaN范德华异质结的UTC-PD，在可见光全波段实现了量子效率约1%、带宽5 GHz的高速探测。低内量子效率主要归因于MoS₂与GaN之间的晶体动量失配，这一发现为未来材料选择提供了重要设计准则。器件响应目前受RC限制而非本征载流子传输限制，表明通过优化收集层厚度和敏感区域尺寸可进一步提升性能。

该研究首次将UTC-PD概念成功扩展至可见光区，通过二维材料与宽禁带半导体的创新结合，为高速可见光电子学提供了新的材料平台和技术路径。相比传统InGaN/GaN量子阱器件，这种异质结结构避免了载流子逃逸动力学限制，为实现数十GHz甚至更高带宽的可见光探测开辟了道路，在星间通信、水下Li-Fi和激光雷达（LiDAR）等领域具有重要应用前景。

关键技术方法

研究采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在4英寸GaN/蓝宝石衬底上外延生长MoS₂层，通过扫描透射电子显微镜（STEM）和拉曼光谱进行结构表征。器件制备采用光刻和反应离子刻蚀（RIE）形成台面结构，通过开尔文探针力显微镜（KPFM）测量能带偏移。频率响应测试使用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）产生强度调制光，通过矢量网络分析仪（VNA）测量S参数，采用密度泛函理论（DFT）计算能带结构。