基于Ag3CuS2（Jalpaite）的近红外光电探测器设计与性能优化：一种新型低成本高性能光电器件的仿真研究

本研究针对传统近红外(NIR)光电探测器材料(InGaAs、Ge等)成本高、毒性大、性能受限等问题，通过SCAPS-1D仿真设计了一种新型n-WS2/p-Ag3CuS2/p++-BaSi2异质结构光电探测器。该器件在1165 nm波长处实现了0.79 A/W的响应度和3.73×1014 Jones的探测率，开路电压达0.74 V，为低成本、高性能NIR探测提供了新方案。

　　

在光电子技术飞速发展的今天，近红外光电探测器在通信、医疗成像、环境监测等领域的应用日益广泛。然而，传统基于铟镓砷(InGaAs)和锗(Ge)的探测器面临成本高昂、材料稀缺、环境毒性等挑战，而硅基探测器又因带隙限制在近红外区域响应不足。更令人头痛的是，现有量子点探测器虽性能优异，但存在工作电压高、响应带宽窄等问题，严重制约了其产业化应用。面对这些技术瓶颈，研究人员迫切需要开发一种兼具高性能、低成本和环境友好特性的新型近红外探测材料。

正是在这样的背景下，来自卡塔尔大学的研究团队将目光投向了一种天然矿物材料——硫铜银矿(jalpaite，化学式为Ag₃CuS₂)。这种材料不仅具有合适的带隙(1.05 eV)、优异的光吸收特性，还由地壳中含量丰富的元素组成，完全符合低成本、可持续的发展理念。为了验证其光电探测潜力，研究团队在《Next Materials》上发表了这项基于SCAPS-1D仿真的系统性研究，为实验制备提供了理论指导。

研究人员采用SCAPS-1D仿真软件，通过求解泊松方程和载流子连续性方程，对设计的n-WS₂/p-Ag₃CuS₂/p⁺⁺-BaSi₂异质结构光电探测器进行了全面性能评估。研究重点分析了各功能层厚度、掺杂浓度、缺陷密度等参数对器件性能的影响，并深入探讨了背表面场(BSF)层的作用机制。

3.1. BSF集成对Ag₃CuS₂基光电探测器性能的影响

研究发现，引入p⁺⁺-BaSi₂背表面场层后，器件的开路电压从0.66 V显著提升至0.74 V，短路电流密度保持在43.45 mA/cm²的高水平。量子效率在300-900 nm波长范围内接近100%，在1165 nm处仍保持良好响应。最重要的是，探测率达到了3.73×10¹⁴ Jones，比无BSF结构提升了一个数量级，这主要归功于BSF层形成的内部电场有效抑制了载流子复合。

3.2. Ag₃CuS₂吸收层的影响

3.2.1. 吸收层宽度对性能的影响

当吸收层厚度从0.4 μm增加至1.2 μm时，短路电流密度从41.18 mA/cm²提升至44.43 mA/cm²，这源于更厚吸收层对光子的充分捕获。值得注意的是，在1.2 μm厚度下，器件在1165 nm波长处获得了3.73×10¹⁴ Jones的最高探测率。

3.2.2. 掺杂依赖性性能

吸收层掺杂浓度在10¹⁵-10¹⁹ cm^-3范围内变化时，开路电压从0.68 V线性增加至0.78 V，这得益于内置电位的增强。而短路电流密度保持稳定在43.75 mA/cm²，表明掺杂浓度对光生载流子收集效率影响有限。

3.2.3. 缺陷诱导的性能变化

缺陷密度从10¹²增加至10¹⁶ cm^-3时，开路电压从0.76 V下降至0.62 V，而短路电流仅轻微降低(43.8至43.04 mA/cm²)。这表明缺陷主要通过增加复合电流来影响器件性能，而对光吸收过程影响相对较小。

3.3. WS₂缓冲层对器件性能的影响

3.3.1. WS₂厚度对效率的影响

WS₂窗口层厚度从0.05增加至0.25 μm时，短路电流密度从43.99降低至42.87 mA/cm²，这源于较厚窗口层的寄生吸收效应。但探测率仅轻微变化，表明WS₂厚度对器件灵敏度影响有限。

3.3.2. WS₂缓冲层掺杂效应

掺杂浓度在10¹⁶-10²⁰ cm^-3范围内，器件性能保持相对稳定，仅在极高掺杂浓度下观察到量子效率的轻微下降，这可能是由于窗口区复合电流增加所致。

3.3.3. WS₂缓冲层缺陷的作用

缺陷密度在10¹²-10¹⁶ cm^-3范围内变化时，器件的光电性能参数几乎保持不变，表明WS₂层对缺陷具有一定的容忍度。

3.4. BaSi₂ BSF层及其对器件性能的影响

研究表明，BaSi₂层的厚度(0.1-0.5 μm)、掺杂浓度(10¹⁷-10²¹ cm^-3)和缺陷密度(10¹²-10¹⁶ cm^-3)变化对器件性能影响极小，各项关键参数保持稳定，证明了BaSi₂作为背表面场层的鲁棒性。

3.5. 电阻对Ag₃CuS₂光电探测器行为的贡献

串联电阻在0-12 Ω·cm²范围内时，器件性能保持稳定；超过该值后，短路电流开始下降。而分流电阻在1-20 kΩ·cm²范围内变化时，性能参数几乎不受影响，表明器件对分流电阻变化不敏感。

3.7. 响应速度估算

通过结合电荷收集(传输)和RC限制的分析，估算出器件的3 dB带宽在13-133 MHz范围内，上升时间约为2.6-26 ns。这表明在该仿真条件下，响应速度主要受传输限制而非RC限制。

3.8. 连续光照和热应力下的稳定性

模拟结果显示，缺陷密度增加10倍时，暗电流上升至2.8×10^-2 A/cm²，但响应度保持不变；缺陷增加100倍时，暗电流进一步增加，探测率下降3-4倍。而温度从300 K升高至350 K时，性能参数变化不到1%，表明器件具有良好的热稳定性。

研究结论表明，基于Ag₃CuS₂的光电探测器在近红外区域表现出卓越的性能：开路电压0.74 V，短路电流密度43.79 mA/cm²，响应度0.79 A/W，探测率3.73×10¹⁴ Jones。这些指标不仅优于许多传统材料体系，更重要的是，该材料由地壳中丰富的元素组成，成本低廉且环境友好。

特别值得关注的是，通过引入WS₂窗口层和BaSi₂背表面场层形成的能带工程策略，有效提升了载流子分离效率和收集效率，同时抑制了暗电流。器件的性能对层厚度、掺杂浓度等参数变化表现出良好的鲁棒性，这为实际制备提供了宽松的工艺窗口。

尽管这项研究是基于仿真完成，但其结果与已有实验报道的类似结构器件性能高度吻合，表明设计方案的可行性。这项研究不仅为新型近红外光电探测器的发展提供了新思路，也为低成本、高性能光电子器件的设计提供了重要理论指导，在光通信、医疗成像、环境监测等领域具有广阔的应用前景。