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汤唯佳，张有为 华中科技大学物理学院引力中心

过渡金属硫族化物（TMDCs）由于其较强的光与物质相互作用、可见-近红外光谱范围内的可调带隙以及较高的载流子迁移率而在光电器件的研究中备受关注。在光电器件领域，大多数二维材料光电探测器采用 FET 结构，具有光响应高的优点，但响应速度相对较慢，线性动态范围窄。基于此，华中科技大学引力中心量子精密测量与器件组提出在器件中构建 p-n 结或肖特基结内建电场解决上述问题。

图1 (a) 基于横向 p-i-n 同质结的超快 WSe2 光电二极管的光学图像 (b) Vg=0 V 时，WSe2光电二极管的输出特性曲线(黑色圆点)和拟合曲线(红色实线) (c) 随频率变化的带宽频率响应 (d) 基于 TMDCs 的光电探测器的比探测率与响应时间对比

受限于高质量 p-n 结和低接触电阻的制备，前人报道的 TMDCs 基光电二极管性能尚有很大提升空间。鉴于此，华中科技大学张有为副研究员与硕士研究生马衎衎报道了一种基于横向 p-i-n 同质结的多层 WSe2 光电二极管。这种二极管表现出了理想的整流性能，电流开/关比高达1.2×10^6，理想因子为1.14。在光伏模式下工作时，该二极管在 450 nm 光照下表现出出色的光电探测性能，包括 340 mV 的开路电压，0.1 A W^-1 响应度和 2.2×10^13 Jones 的比探测率。此外，得益于横向 p-i-n，排除较慢的光生载流子扩散，以及由于掺杂剂或掺杂过程引入的缺陷态而导致的光生载流子的俘获过程，该探测器带宽主要由光生载流子漂移决定，3 dB 带宽 1.9MHz，从而首次将 TMDs 基光电器件的响应速度提升至百纳秒量级（264 ns），基于上面提到的优异特性以及与 CMOS 兼容的工艺，这种 WSe2 p-i-n 结二极管有希望在自驱动高频弱信号光电检测中实现应用。（图1，ACS Nano, 2021, 15, 3, 4405–4415）。

图2 (a) TMDCs基肖特基二极管器件结构的三维示意图 (b) WSe2 场诱导肖特基二极管的输出特性曲线，蓝色表示线性坐标，黄色表示对数坐标 (c) 器件归一化的响应随入射光频率的变化 (d) 通信误码率随数据传输速率变化的曲线

同时，利用二维 TMDCs 弱的电荷屏蔽效应和高 k 栅介质强栅控能力，课题组与复旦大学的周鹏教授合作构筑了一种新型肖特基二极管。在漏极和栅极之间电压差会产生一个纵向电场，该电场能够有效调控漏极接触下的 TMDCs 中载流子浓度，从而调控漏极肖特基势垒的大小，进而实现整流效果，整流比高达10^6。结合肖特基结构的较小结电容以及电场调控掺杂的无损伤特性，该肖特基二极管的光电响应速度获得了很大提升，响应时间短至 8 ns。以该器件作为光通信的接收端，实现了最大可靠数据传输速率为 110 Mbps 的可见光通信（图2，ACS Nano, 2022, 16, 11, 19187–19198）。

图3(a)测量系统原理图。系统由激光二极管、电流源表、探针、锁相放大器及其他物料构成。光源由“直流+交流”的混合输入，为此使用一个 Bias Tee 1 进行分流，光源交流部分由锁相放大器 signal output 输入。准直光经过搭建好的光路垂直照射在 PD 上，此时 PD 产生光电流经过 Bias Tee 2，其交流部分输入锁相放大器 signal iutput，直流部分由 Aux output 导入，既可以对 PD 提供工作电压，又可以测量其输出电流。利用锁相放大器配置软件设定所需扫频范围，得不同条件下光电探测器的频谱响应。

图3(b) 实验台实物照片

对于探测器而言，频率响应带宽作为光电探测器的至关重要的特征参数，其直接表征了探测器的高速响应能力，是制约光通信系统的核心指标之一。相比于商用探测器，基于二维材料的光电探测器往往光敏区域较小，光电流信号较弱，直接采用网络分析仪往往难以得到较高的信噪比。对于频率响应分析，课题组使用苏黎世锁相放大器（Zurich Instruments HF2LI）驱动激光二极管产生交变激励光信号并使之照射探测器光敏区域，探测器产生的光电流信号经过跨阻放大器（Zurich Instruments HF2TA)）放大之后再输入锁相放大器，从而解决了二维材料光电探测器信号较弱的问题。并且针对不同的光电探测器光电流的差异，跨阻放大器增益可实现多挡位调节。采用上述设备组合可实现 DC-50 MHz 的带宽测量，满足绝大多数低维材料光电探测器 3dB 带宽测量的需求。该频谱响应测试系统及实物如图3(a) 和(b)所示。如果将这套测试系统中的锁相放大器更换为具有更高频率的 UHFLI 系列，则能够将带宽的测试频率范围扩展至 600MHz 附近。

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相关论文分别以“An Ultrafast WSe2 Photodiode Based on a Lateral p-i-n Homojunction”，“High-Speed Transition-Metal Dichalcogenides Based Schottky Photodiodes for Visible and Infrared Light Communication” 为题在 ACS Nano 上发表，华中科技大学张有为副研究员与硕士研究生马衎衎为前文共同第一作者，王顺教授与复旦大学仇志军教授为共同通讯作者；张有为副研究员为后文第一作者，张有为副研究员、复旦大学周鹏教授与王顺教授为共同通讯作者。

HF2LI 和 UHFLI 锁相放大器

作为一款数字锁相放大器，HF2LI 的可测量频率范围从直流 DC 到 50 MHz，采样率可达 210 MSa/s，非常适合 MEMS（比如陀螺仪）应用和微流控应用的测量。

作为一款数字锁相放大器，UHFLI 的可测量频率范围从直流 DC到 600 MHz 。相比于其他商用锁相放大器，UHFLI 可以提供最高的操作频率、30 ns 的最短解调时间常数，解调带宽超过 5 MHz。