研究背景
红外光电探测器在医疗、军事、通信和天文等领域具有广阔的潜在应用空间。然而，由于传统的红外探测器技术在灵敏度和成本/小型化之间存在很大的权衡，许多商业应用仍未实现。近年来，二维（2D）材料红外探测器已被证明是一种替代技术。将2D材料吸收体的厚度减小到nm级（以减少热噪声），同时保持高水平的红外光收集（以增加信号），为2D材料与高级光学结构的结合提供了机会。其中一种光学策略是将2D材料探测器嵌入由两个对称介电/金属镜组成的法布里-珀罗（Fabry-Pérot，FP）腔的中心。这种结构在窄共振范围内增强了2D层的吸收，并且通过对称地增加/减少吸收体周围的介电层厚度，可以使窄波长范围的位置发生红/蓝偏移。
成果介绍
有鉴于此，近日，澳大利亚墨尔本大学James Bullock教授等提出了一种法布里-珀罗（Fabry-Pérot）腔增强型bP/MoS2中波红外（MWIR）光电二极管。这种简单的结构可通过调节法布里-珀罗谐振腔的厚度，在2-4 μm范围内实现可调谐的窄带光电探测（半峰全宽低至0.42 μm）。与以前报道的2D MWIR探测器相当，这是在保持室温性能指标的同时实现的。在λ=3.0 μm的情况下，测得的零偏压比探测率和响应率分别高达1.7×109 cm Hz1/2 W-1和0.11 A W-1，响应时间小于3 ns。本文的研究结果引入了一个有前途的2D探测器系列，有望在MWIR光谱学中实现应用。文章以“Spectrally Selective Mid-Wave Infrared Detection Using Fabry-Pérot Cavity Enhanced Black Phosphorus 2D Photodiodes”为题发表在著名期刊ACS Nano上。 文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05751 。
图文导读
图1a给出了FP腔增强型bP/MoS2光电二极管的概念图。非对称FP腔由在Si/SiO2衬底上的Au/Cr/AlOx/bP/MoS2/Cr/Au结构组成。MoS2层同时充当MWIR透明电学接触和FP腔的顶部介电层。图1b显示了使用不同厚度的MoS2（10-150 nm）在FP增强型bP/MoS2异质结结构中吸收的光学模拟。可以清楚地看到，通过增加MoS2层的厚度，FP腔的共振吸收峰位置发生红移。由于MoS2的MWIR折射率高于底部AlOx腔，因此可以使用相对较薄的MoS2层来影响共振偏移。
图2a给出了完整FP增强型bP/MoS2光电二极管的光学显微照片。为了进一步探索器件结构，横截面STEM-HAADF图像和相应的EDX成像如图2b所示，显示出清晰的连续层并具有一定的表面粗糙度，其中MoS2层~45 nm，bP层~10 nm，顶部金属镜~15 nm。AlOx/bP/MoS2界面放大区域的HAADF图像和EDX成像显示在图2c中，可以清楚地看到bP和MoS2的层状性质，单层间距分别为5.5和6.1 Å。在bP和AlOx之间的界面处可以观察到薄的非晶层AlPxOy，厚度约10 nm。
为了表征这种结构在窄波长带中产生吸收（以及响应率）的能力，通过FTIR光谱仪上的外部探测器端口对光电二极管的光谱光响应进行了表征。图3a中显示了三个代表性光电二极管的归一化光响应，三个bP/MoS2器件的峰随MoS2厚度增加而发生红移，峰值分别为2.6 μm，3.0 μm和3.3 μm，其中MoS2的厚度分别为12.3 nm，36.7 nm和84.1 nm。这清楚地证实，FP腔的共振可以控制bP/MoS2光电二极管吸收的光谱区域。图3b和c给出了具有32.3 nm厚MoS2的器件的附加表征结果。该器件具有一个半峰全宽~420 nm的光谱光响应。其偏置依赖性如图3b所示，光响应在正向偏置下明显降低，而在反向偏置下明显增加。如图3c比较了该器件在298 K和78 K时的相对性能，当冷却至78 K时，光响应没有发生显著变化。
首先，测量了bP/MoS2光电二极管的明暗I-V特性。图4a给出了室温下代表性的FP增强型bP/MoS2光电二极管的暗I-V特性，可以清楚地看到窄带隙材料的整流行为。图4a的插图比较了在有无光照情况下测得的log（I）-V行为，光生载流子使I-V曲线向下移动，从而导致31.7 mV的开路电压Voc和28.1 nA的短路电流Isc，证明该器件可以充当光电二极管。通过使用参考探测器进行校准，还可将图3中所示的相对光响应转换为绝对电流响应率（A/W）。如图4b的插图所示，对于在零偏置下工作的器件，电流响应率高于0.1 A/W，这表明外量子效率ηe~5％。如图4b所示，对于FP增强型bP/MoS2光电二极管，在λ=3.0 μm处的峰值D*为1.7×109 cm Hz1/2 W-1。
线性度是光电探测器性能的另一个重要方面。图5a显示了当用脉冲λ=2.2 μm激光二极管光源照射代表性光电二极管时，在~5个数量级上，光功率密度与光电二极管短路电流密度Jsc之间存在一致的线性关系。图5b表明在连续脉冲后没有可观察到的基线漂移。在受到超连续激光器发出的2 ns光脉冲（以2.3 μm为中心）时，器件的光响应如图5c所示，仅比激光的2 ns脉冲稍慢，这是bP基光电探测器报道的最快响应时间之一。
总结与展望
本文将bP/MoS2异质结光电二极管有效集成到法布里-珀罗腔中，实现了光谱选择MWIR探测。这些光电二极管的光响应峰值位置可以通过增加顶部介电层厚度（MoS2）来改变，使FP腔的谐振发生红移。在室温和零偏压下，FP增强型bP/MoS2器件也分别实现了1.7×109 cm Hz1/2 W-1和0.11 A W-1（λ=3.0 μm）的比探测率和响应率，其线性度和频率响应也类似于最先进的2D MWIR探测器。这些研究发现引入了令人兴奋的法布里-珀罗腔增强型2D探测器，具有量身定制的探测潜力，有望在红外光谱应用中展现出广阔的应用前景。
