《Applied Surface Science》：Broadband and high-speed micro-scale PtSe
2/Si 2D-3D PIN photodetector for on-chip polarization-encoded communication and imaging
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PtSe2薄膜通过TAC策略实现高取向性近化学计量比生长，构建的CMOS兼容PIN异质结探测器在532-2200nm宽波段展现超快响应（260kHz带宽，0.5/5.4μs上升/下降时间），80dB高LDR自驱动特性，并成功解调1310/1550nm极化编码光信号，为硅基光电子集成提供新范式。
徐晓佳|柯少秋|孙杰|葛梦宇|黄志伟|周金荣|刘观洲|柯少英
福建省光场操控与系统集成应用重点实验室，闽南师范大学物理与信息工程学院，漳州363000，中国
摘要
二维铂二硒化物（PtSe2）在宽带光检测领域具有巨大潜力，尤其是在硅（Si）截止波长之外的短波红外（SWIR）区域。然而，在CMOS兼容架构中实现高质量薄膜的可扩展合成、自驱动高速运行以及高线性动态范围（LDR）和高3-dB带宽仍面临关键挑战。本研究展示了一种基于CMOS工艺集成的p-PtSe2/n?-Si/n+-Si PIN范德瓦尔斯光电探测器，克服了这些限制。通过热辅助转化（TAC）策略，成功生长出高度有序、接近化学计量的PtSe2薄膜。这种设计的PIN结构产生了强大的内置电场，使得器件能够实现自驱动运行，并具有卓越的80 dB LDR和532 nm至2200 nm的宽带响应特性。该器件在100 kHz频率下实现了260 kHz的创纪录高3-dB带宽（目前报道的最快值），其上升/下降时间仅为0.5 μs/5.4 μs，这归功于薄膜的高结晶度和增强的界面场控制能力。此外，该探测器还表现出独特的偏振响应特性，能够成功解码通信波长（1310 nm和1550 nm）下的偏振编码光信号，从而实现安全的自由空间通信。这项工作为PtSe2/Si光电探测器在速度和功能方面树立了新的标杆，同时提供了一个可扩展的、与CMOS兼容的平台，用于将二维材料集成到硅光子学中，以实现高速、高效的光电应用。
引言
不断追求高性能光电探测器是推动下一代光电子系统发展的核心，这些探测器需要具备宽带、自驱动、超快运行和偏振检测能力[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。二维（2D）过渡金属硫属化合物（TMDs）因其可调带隙、强的光-物质相互作用以及异质结构集成潜力而成为有前景的候选材料[6]、[7]、[8]。其中，铂二硒化物（PtSe2）因其厚度依赖的带隙（从半导体到半导体的转变）、高载流子迁移率以及出色的环境稳定性而脱颖而出[9]、[10]、[11]、[12]。
尽管具有这些优点，但基于PtSe2的光电探测器的实际应用仍面临诸多挑战。高质量、均匀的PtSe2薄膜的可扩展合成，以及控制厚度和最小化缺陷仍然是关键技术难题。在制备二维材料的各种方法中，化学气相沉积（CVD）可以制备高质量薄膜，但它通常依赖于复杂的气相反应过程、高温和特定活性基底，这大大限制了其应用灵活性。相比之下，TAC方法通过精确控制固体前驱体的热处理直接在目标基底上诱导材料相变和生长。这种方法不仅流程更简单、成本更低，而且与多种基底材料的兼容性更好，特别适合需要图案化和低温集成的功能器件[13]、[14]、[15]。此外，传统器件架构的响应速度通常较低（<10 kHz），3-dB带宽也较低，这阻碍了高频应用的发展。在CMOS兼容框架中实现自驱动运行（零偏压响应）以及高LDR和检测灵敏度也颇具挑战[16]、[17]、[18]、[19]。将PtSe2与Si、Ge或InP异质集成以构建PtSe2 2D/3D光电探测器虽然实现了可扩展性，但在速度、暗电流和偏振灵敏度方面仍存在性能折中[20]、[21]、[22]、[23]。然而，大多数PtSe2 2D/3D光电探测器依赖于简单的p-n或肖特基结构，这些结构受到内在弱电场、高界面复合和载流子提取效率低等因素的限制[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。
在这项工作中，我们展示了一种通过行业标准CMOS工艺制造的集成p-PtSe2/n?-Si/n+-Si范德瓦尔斯光电探测器，同时解决了这些限制。关键在于我们采用三区管式炉开发了TAC策略，制备出了高度有序（约32 nm厚）且接近化学计量的PtSe2薄膜（Se/Pt≈1.81）。这种设计的PIN结构产生了强大的内置电场，使得器件能够实现自驱动运行，并具有卓越的80 dB LDR和532 nm至2200 nm的宽带响应特性。值得注意的是，该器件在100 kHz频率下实现了260 kHz的创纪录高3-dB带宽（目前报道的最快值），上升/下降时间仅为0.5 μs/5.4 μs，这归功于PtSe2的高结晶度和增强的界面场控制能力。此外，该探测器还表现出独特的偏振响应特性，能够成功解码通信波长（1310 nm/1550 nm）下的偏振编码光信号，从而实现安全的自由空间通信。这项工作不仅为PtSe2/Si光电探测器在速度和功能多样性方面树立了新标杆，还为将二维材料集成到硅光子学中提供了可扩展的、与CMOS兼容的平台，以实现高速、高效的光电应用。
部分内容摘录
PtSe2薄膜的制备
在本研究中，采用TAC方法制备了高质量的PtSe2薄膜。首先，使用标准RCA协议对SiO2/Si基底（厚度：625 ± 25 μm；氧化层厚度：500 nm；电阻率：<0.05 Ω·cm）进行严格清洗，以去除表面的离子和有机污染物。随后，使用高真空磁控溅射系统（TRP-450）在清洁后的SiO2/Si表面沉积约8 nm厚的Pt层。溅射参数如下：室温下进行...
PtSe2薄膜的特性分析
利用拉曼光谱（ZOLIX, RTS-mini）通过非弹性光散射现象确定分子结构。通过X射线衍射（XRD）分析（Rigaku Ultima IV）研究晶体结构，通过X射线照射产生的衍射图案进行分析。扫描电子显微镜（SEM）（Carl Zeiss AG, Supra 55）用于通过电子束扫描表征表面形貌和元素分布。
结果与讨论
PtSe2薄膜是在一个直径为9 cm的三区管式炉中制备的，硒化过程的示意图如图1a所示。首先，使用高真空磁控溅射系统在预清洗的SiO2/Si基底上沉积Pt薄膜。随后，将Pt/SiO2/Si样品置于三区化学气相沉积（CVD）管式炉中进行硒化处理。在我们之前的研究中，我们已经证明了这种大直径管式炉...
结论
本研究展示了基于CMOS工艺集成的p-PtSe2/n?-Si/n+-Si PIN光电探测器的突破性进展，克服了可扩展合成和高速自驱动运行方面的关键挑战。所开发的TAC策略实现了高度有序、接近化学计量的PtSe2薄膜（约32 nm厚）的生长，确保了优异的材料质量。这种设计的异质结结构利用了强大的内置电场，实现了自驱动运行，并具有前所未有的80 dB LDR...
资金来源
国家自然科学基金（62004087和12474066）。福建省自然科学基金（2024J01819和2023J05186）。闽江教育领军人才项目（KJ2025002）。福建省中青年教师教育科研重点项目（JZ230030），以及武汉市项目（2024010702020024）。
CRediT作者贡献声明
徐晓佳：撰写 – 原始草稿，验证，数据管理。柯少秋：形式分析。孙杰：验证，资金获取。葛梦宇：研究。黄志伟：方法论。周金荣：方法论。刘观洲：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法论，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢国家自然科学基金（62004087）、福建省自然科学基金（2024J01819和2023J05186）、闽江教育领军人才项目（KJ2025002）以及福建省中青年教师教育科研重点项目（JZ230030）的支持。JS还感谢国家自然科学基金（12474066）和武汉市项目（2024010702020024）的支持。
