在经过界面工程处理的Ga?O?钝化的In?Se?/WTe?异质结构中，利用隧穿效应辅助抑制暗电流，以实现可扩展的大面积太赫兹（THz）光检测技术

《Applied Materials Today》：Tunneling-assisted dark current suppression in interface-engineered Ga 2O 3-passivated In 2Se 3/WTe 2 heterostructures for scalable large-area THz photodetection

　　• 通过直流溅射技术可扩展地、无转移地制备大面积In2Se3/WTe2范德华（vdW）异质结构。• 通过调整溅射参数实现了厚度可控的薄膜生长，薄膜厚度可调范围为17至44纳米。• 经过界面工程处理的能带对齐能够实现高效的电荷传输、增强载流子提取以及低噪声的太赫兹（THz）探测。• 具有光栅结构的电极和超薄Ga2O3钝化层可将暗电流降低约39.7%，并提高光电流约20.2%。• 优化后的探测器在室温下实现了20.39 A/W的高响应度、4.79 × 10^-13 W/Hz^1/2的超低噪声电平（NEP）以及3.61 × 10^11 Jones的高探测灵敏度。

引言
在当今数据驱动的时代，光电探测器是光电集成电路中的关键组件，人们不断努力提高其灵敏度和扩展其光谱范围。它们被广泛应用于光通信、生物医学和成像系统以及安全和防御领域[1][2]。光电探测器的功能和效率主要由其活性材料的性质决定。由于太赫兹（THz）技术的广泛应用和快速进展，它在材料科学和器件工程中引起了广泛关注。THz辐射覆盖0.10–10 THz的范围，位于微波和红外区域之间。这种独特的位置赋予了THz波独特的性质，使其在生物医学、医疗保健、环境监测、安全筛查、无损检测和先进通信等领域具有应用潜力[3][4][5][6]。然而，其发展仍然受到光子系统和电子系统集成挑战的限制。作为THz传感、成像和通信系统中的关键元件，THz探测器对整体器件性能至关重要。尽管进行了大量研究，大多数THz探测器仍存在效率低下、制造成本高以及活性区域有限的问题，通常局限于微米或纳米尺度。因此，人们迫切需要能够在室温下高效工作的大面积、低成本THz探测器[7][8][9]。基于Si、Ge和HgCdTe的传统光电探测器仍被广泛使用，但它们的高暗电流和复杂的器件结构限制了其更广泛的光电应用。最近，由各种二维（2D）材料制成的THz纳米片探测器表现出优异的性能。为了克服探测区域和大规模生产的限制，下一代THz探测器需要具备室温操作能力、可扩展的制备方法、更大的活性区域和更高的灵敏度，这些方面仍在积极研究中[10][11][12][13]。

层状二维半导体，包括石墨烯、过渡金属硫属化合物、黑磷、III-VI化合物、Weyl半金属和拓扑绝缘体，已成为光电探测的领先材料[14][15][16][17][18][19]。原子级薄的二维材料为构建先进电子和光学技术的异质结构开辟了新的可能性。它们的超薄几何形状以及可调的能带对齐为器件设计提供了重要优势。与传统的半导体异质结构不同，范德华（vdW）异质结构无需严格的晶格匹配要求即可组装，且无悬挂键的界面使得高质量的材料集成成为可能。凭借这些特点，超薄的vdW纳米结构在发光二极管、场效应晶体管、逻辑电路、光电探测器、柔性电子器件和双极结晶体管等领域展现出巨大潜力。在各种二维材料中，半金属材料尤其具有吸引力，因为它们具有层状原子排列、高载流子迁移率以及丰富的自旋依赖性质[20][21][22]。

在Weyl半金属中，光学吸收不受带隙限制；相反，它们无带隙的结构和类狄拉克线性色散使得能够在THz区域检测低能量光子。其中，WTe2具有各向异性的正交晶格和独特的能带结构，电子和空穴口袋几乎处于平衡状态。它还表现出显著的特性，包括可调的超导性、巨大的非饱和磁阻效应以及无需外部磁场的非线性霍尔效应。这些特性使其在光电领域备受关注，WTe2在皮秒级自旋光电流生成、圆光电流效应和THz范围的光极化敏感检测方面展现出潜力。然而，WTe2具有较高的载流子迁移率（约1000 cm^2 V^-1s^-1）、高的载流子浓度（约10^19 cm^-3）和强的电导率，这导致较高的暗电流和功耗增加，从而限制了其在光电探测器中的应用[23][24][25]。

在二维材料中，In2Se3 III-VI化合物因其合适的带隙、强烈的光敏性和高稳定性而特别有前景[26][27][28][29][30]。其带隙高度依赖于厚度，多层形式下约为1.36 eV，而单层形式下接近2.5 eV。作为一种具有非中心对称菱形（R3m）结构的层状材料，In2Se3结合了环境稳定性和高达488 cm^2 V^-1s^-1的载流子迁移率，这一迁移率与多层黑磷相当，同时还具有用于非易失性存储的内禀铁电性[31][32][33][34][35]。这些特性支持其在低功耗THz光探测中的潜力，但实际应用仍受到限制，因为大多数报道的In2Se3器件工作在紫外到红外范围内，依赖于需要高电压和复杂制造的光电导或光伏机制。此外，常用的机械剥离方法以及当前器件的相对低效率继续阻碍了其可扩展、低功耗的应用。In2Se3在THz光探测中的应用尚未得到充分探索，仅有少数研究报道了相对较低的性能。在此，我们通过开发一种可扩展且厚度可控的In2Se3/WTe2异质结构来填补这一空白，该结构集成了超薄Ga2O3钝化层和光栅电极，使得暗电流降低了约39.7%，光电流增加了约20.2%，从而实现了出色的光电探测器性能和增强的载流子调制。这种设计增强了THz光与物质的相互作用，抑制了缺陷辅助的泄漏，提高了稳定性，并促进了电荷分离，从而实现了高性能的大面积THz光探测。

本文展示了一种基于In2Se3/WTe2薄膜异质结构的室温横向电学 malaria sensor（MSM）光电探测器，活性x-y平面上集成了亚波长光栅电极以实现直接的THz探测。在THz光照下，该器件表现出高响应度（Ri）、低噪声电平（NEP）和快速响应，强调了界面和钝化工程在先进THz光电技术中的重要性。据我们所知，这是第一项关于In2Se3用于THz光探测的详细研究。

### In2Se3/WTe2异质结构的制备
使用了高电阻率的Si/SiO2基底（10,000–20,000 Ω·cm；500 μm/280 nm）来减少THz散射并提高传输效率。沉积前，Si/SiO2基底分别在不同离子水中超声清洗10分钟，然后用氮气流干燥。采用磁控溅射（MSD）技术进行器件制备。在这一过程中，高能惰性气体离子撞击靶表面，将原子喷射到基底上。

### 结果与讨论
本节概述了In2Se3、WTe2和In2Se3/WTe2薄膜的结构、电子和光学性能。此外，相应的基于薄膜的器件也进行了表征，以评估其光电性能。实验结果分析了材料性质、界面能带对齐与THz光探测性能之间的关系。

### 结论
总之，我们提出了一种可扩展、无转移、厚度可控的薄膜生长方法和界面工程策略，通过将溅射的In2Se3/WTe2 vdW异质结构与等离子体电极设计和超薄Ga2O3钝化层相结合，实现了暗电流降低约39.7%、光电流增加约20.2%，从而获得了出色的光电探测器性能和增强的载流子调制效果。

### 著者贡献声明
Yiwen Sun：可视化、验证、调查、形式分析。
Tianwu Wang：可视化、验证、形式分析、概念化。
Ling Li：可视化、验证、调查、形式分析。
Peiguang Yan：可视化、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式分析、数据管理、概念化。
Saad Anwar：可视化、验证、形式分析。
Wenhao Yuan：可视化、验证。

### 竞争利益声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所述的工作。

### 致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（T2421003, 62435011, 62475167, 62375187, 62435013, 61935014）、国家重点研发计划（2022YFF0706003）、深圳市光子学与生物光子学重点实验室项目（ZDSYS 20210623092006020）、深圳市科技计划（KJZD20240903102731040, JSGG2022083110460001和JCYJ2022081809560401）以及广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515012825）的财政支持。