利用Al2O3实现Ge上WSe2的原位硒化，用于开发用于光通信的宽频自供电光电探测器

《Optical Fiber Technology》：Al2O3-enabled in-situ selenization of WSe2 on Ge toward broadband, self-powered photodetectors for optical communication

　　

摘要

基于锗的近红外光电探测器与硅互补金属氧化物半导体工艺具有很好的兼容性，但存在暗电流较高以及检测极限约为1850纳米的问题。为克服这些缺陷，本研究提出了一种结合界面钝化与缺陷级工程化的策略，用于制备高性能的ITO/WSe₂/Al₂O₃/n-Ge范德瓦尔斯异质结光电探测器。通过原子层沉积法制备的厚度约为2纳米的Al₂O₃层可作为扩散屏障，从而在高温下实现WSe₂的原位硒化，同时抑制元素间的相互扩散。该结构在-2伏的反偏电压下可将暗电流降低一个数量级以上。此外，生长过程中产生的硒空位会形成亚带隙激发通道，使得器件的光谱响应范围延伸至2200纳米。经过优化的探测器展现出出色的自供电性能，在-2伏反偏电压、1550纳米波长处具有0.92 A/W的高响应度。值得注意的是，尽管该器件本身没有固有的极化敏感性，但在用偏振光照射时，其对入射光强的响应仍具有很高的线性度。利用这一特性，我们通过旋转偏振器来调节光强，成功实现了光学通信和红外成像应用。这项工作为解决二维/三维异质集成中的界面不稳定性问题提供了有效方案，也为开发低功耗、宽频谱且与硅兼容的先进光电子系统奠定了基础。

引言

由于其优异的近红外吸收特性以及与CMOS技术的良好兼容性，锗已成为高性能近红外光电探测器的理想材料。然而，传统基于锗的探测器的开发长期以来一直受到两个固有瓶颈的制约。首先，锗表面大量的悬挂键和缺陷态会导致严重的界面复合，从而产生过高的暗电流，这严重限制了这类器件的探测能力[[1], [2], [3]]。其次，锗的固有带隙约为0.67电子伏特，这使得其光谱响应截止点大约在1850纳米处，无法覆盖技术上非常重要的短波红外通信频段，比如2微米波段[4]。这些因素严重阻碍了基于锗的探测器在那些需要低功耗、高灵敏度以及宽频谱检测的先进光电子系统中的应用。

二维过渡金属硫属化合物因其优异且可调控的光电性能，为克服传统基于锗的光电探测器的性能瓶颈提供了新的途径。在各种二维过渡金属硫属化合物中，WSe₂因其可调控的电学和光学特性而备受关注[5]。不过，要实现高性能的WSe₂/Ge异质结探测器，仍面临两大挑战。首先，WSe₂本身是一种固有带隙相对较大的半导体（例如，块状WSe₂的固有带隙约为1.2电子伏特）[6]，这意味着仅依靠其固有带隙吸收作用，无法将异质结探测器的光谱响应范围有效地扩展到锗的固有吸收边缘之外（约1850纳米）。其次，更为关键的是，在WSe₂生长所需的高温硒化过程中，锗基底与硒前体之间很容易发生严重的元素间相互扩散，从而在界面处形成诸如非晶态Ge–Se化合物之类的有害中间相[7]。这种界面反应会破坏界面形态，打破理想的范德瓦尔斯接触，引入大量缺陷态，进而显著增加暗电流并降低载流子传输效率。因此，如何在不损害界面质量的前提下，实现超越组成材料固有带隙限制的宽频谱（尤其是短波红外波段）检测，同时保持较低的暗电流，是一个重要的科学和技术挑战。因此，探索能够有效钝化锗表面缺陷并扩展光谱响应范围的新型材料及器件结构，已成为突破现有性能局限的必然选择。

为解决上述问题，本研究提出了一种综合解决方案，即利用厚度约为2纳米的Al₂O₃层实现界面钝化，同时通过硒空位缺陷形成亚带隙通道。Al₂O₃层可以有效抑制高温硒化过程中的锗与硒之间的相互扩散，从而使得高质量的WSe₂能够在锗基底上原位生长，同时将暗电流降低一个数量级以上。与此同时，硒空位引入的缺陷能级，再加上通过薄层Al₂O₃层的隧穿效应，使得探测器的截止波长得以延伸至2200纳米。经过优化的器件在零偏压下即可实现从532纳米到2200纳米的宽频谱自供电检测，在1550纳米的通信波长处具有0.92 A/W的响应度。此外，其在整个检测范围内对入射光强的响应都呈现出明显的正相关性。凭借其稳定且可重复的光电响应特性，我们通过外部偏振器调节光强，成功实现了光学通信和红外成像功能，证明了该器件在实际系统应用中的潜力。这项工作为同时解决WSe₂/Ge异质结光电探测器中的界面不稳定性和光谱限制问题提供了新的思路。

章节节选

器件制备

详细的制备流程如图S1a所示。首先，将n型锗基底（电阻率为1.5欧姆·平方厘米）依次用丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗，每次10分钟，以去除表面的有机污染物和颗粒杂质。随后，将基底浸入浓度为HF:H₂O=1:20的稀释氢氟酸溶液中5分钟，以去除表面的本征氧化层，之后再用去离子水冲洗，并用氮气吹干。接着，制备Al₂O₃薄膜

结果与讨论

本研究设计的ITO/WSe₂/Al₂O₃/n-Ge异质结构的示意图如图1a所示。WSe₂薄膜是通过化学气相沉积法制备的（见图S3），在这种方法中，气态硒与预先沉积的钨薄膜发生反应，从而实现二维材料的原位生长。为了优化这一过程，保持上下游区域温度均为450摄氏度是一个至关重要的参数（见图S4）。在上游区域，将硒粉加热到450摄氏度，可以确保反应的稳定性，

结论

在本研究中，我们引入了厚度约为2纳米的Al₂O₃层作为原子级扩散屏障，该层能有效抑制高温硒化过程中的锗与硒之间的界面相互扩散，从而使得WSe₂能够在锗基底上高质量地原位生长。由此制成的ITO/WSe₂/Al₂O₃/n-Ge异质结光电探测器的暗电流相比没有中间层的器件降低了一个数量级以上。此外，通过巧妙利用亚带隙效应

资金来源

资助方包括中国国家自然科学基金（项目编号：62574103、62004087），福建省自然科学基金（项目编号：2023J05186），以及闽江教育领军人才计划（项目编号：KJ2025002）。

CRediT作者贡献说明

杨美华：概念设计、数据整理、实验研究、方法设计、结果验证、初稿撰写、论文润色修改。葛永康：数据整理、实验研究、结果验证。方金洪：实验研究、结果验证。钟子渊：实验研究、结果验证。黄敏祥：定量分析。周金荣：方法设计。刘冠洲：方法设计。柯少英：方法设计。黄志伟：资金获取、方法设计、项目管理、论文润色修改。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

感谢中国国家自然科学基金（项目编号：62574103、62004087）、福建省自然科学基金（项目编号：2023J05186）以及闽江教育领军人才计划（项目编号：KJ2025002）的资助。

杨美华|葛永康|方金洪|钟子渊|黄敏祥|周金荣|刘冠洲|柯少英|黄志伟

中国福建省三明市漳州市363000，闽南师范大学物理与信息工程学院，福建省光场操控与系统集成应用重点实验室