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文章名稱：A High-Speed Image Sensor Based on Large-Area MoTe2/Si Photodiode Arrays
期刊名稱：Advanced Optical Materials IF：8.0
DOI: https://doi.org/10.1002/adom.202400547
【引言】
在寬帶光電探測器的研究領域中，科研人員致力于解決將二維材料（例如二硒化鉬（MoTe2））直接生長于三維硅基板上的技術難題。此項技術的目標在于解決2D-3D異質結整合時所遇到的多重障礙，包括晶格不匹配、界面狀態以及材料相容性等課題。過往通過轉移技術應用2D材料，雖可保留其固有性質，但此法在擴展性和工藝整合方面常顯不足。通過研發直接外延生長的方法，研究人員期望達成高效且成本效益高的寬帶光電探測器陣列。此舉不僅促進光電探測器在光通訊、影像技術及環境監測等領域的推廣，還與現行的硅基集成電路生產流程兼容。然而，要實現此技術，需克服均質性、晶體品質以及光電轉換效率等核心技術難點，這為材料科學及半導體制造工藝帶來了新的挑戰與要求。
近日，復旦大學相關課題組利用小型臺式無掩膜直寫光刻系統-MicroWriter ML3成功解決了在硅基板上直接外延生長MoTe2薄膜的挑戰，通過創新的固態相變和重結晶過程，成功制造了高質量的2H-MoTe2/Si 2D-3D異質結光電二極管陣列，實現了100%的器件成品率。其成就包括：光電二極管展示了快速的光響應、高靈敏度和出色的探測能力，并通過使用卡通“兔子"影像掩模板證明了其在可見光和近紅外光下的成像性能。這項工作為將2D材料與現有硅基技術整合提供了一條新穎且成本效益高的途徑。相關研究成果以《A High-Speed Image Sensor Based on Large-Area MoTe2/Si Photodiode Arrays》為題，發表于SCI期刊《Advanced Optical Materials》上。
文中采用的小型臺式無掩膜直寫光刻系統-MicroWriter ML3無需掩膜板，可以在非傳統基底上迅速實現高精度的光刻任務，能夠滿足科研中對光刻和套刻的不同需求，為各類研究中微納器件的優化和迭代提供了保障，助力并加快了相關領域的研究進度。
小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3
【圖文導讀】
圖1. 硅基底上2H-MoTe2薄膜材料的特性表征。a) MoTe2的拉曼光譜，其中也有硅的拉曼峰。b) MoTe2的XPS光譜，顯示了Te3d（藍色）和Mo3d（紅色）峰。c) 所制備的MoTe2/Si異質結的AFM表征結果。d) 2H-MoTe2薄膜橫截面的TEM圖像。e) MoTe2/Si光電二極管制造過程的示意圖。
圖2. 光電子傳輸機制與I-V曲線表征。a)在無光照條件下，MoTe2/Si光電二極管陣列的I-V特性。橙色和藍色曲線分別對應對數坐標和線性坐標。插圖：2H-MoTe2/Si光電二極管的結構圖。b)在32 × 32光探測器陣列中隨機選取的64個探測器， Vbias從-1.5到-0.5V的范圍內的I-V曲線。c)在無光照條件下，不同電壓下對應的電阻的變化。d)在無光照條件和900 nm波長光源的光照下MoTe2/Si光電二極管的I-V特性圖。e)2H-MoTe2/Si異質結的能帶圖(i)平衡態，(ii)無光照條件下的反向偏壓，以及(iii)在光照下的反向偏壓。
圖3. MoTe2/Si 2D-3D異質結光電二極管的光電子特性。a) MoTe2/Si光電二極管在黑暗中和在不同照明波長（從300 nm到1200 nm，步長為100 nm）下的I-V特性曲線。b) I-V特性曲線以對數坐標表示。c) 在900 nm波長光源光照下，MoTe2/Si光電二極管在不同照明強度的I-V特性曲線變化。d) 以對數坐標下的I-V特性曲線。e,f)在不同光照波長和強度下的響應度(R)和探測率(D*)值的變化。
圖4. MoTe2/Si光電二極管的光電電流響應特性。a)和b)不同波長和光照強度下，器件的電流響應特性。c,d)高速光脈沖條件下的電流響應特性。e)電流上升和下降過程的示意圖。f)剛制備的MoTe2/Si光電探測器的相應電流與存儲6個月后的器件的性能的比較結果。
圖5. 視覺圖像傳感系統和光電探測器陣列。a)用于光電探測器陣列的成像測量系統示意圖。b)使用圖像傳感器通過光學模板投影進行圖像捕捉的示意圖解。c) 制備的32 × 32像素圖像傳感器的光學顯微圖像及其放大圖。d)像素陣列對不同波長光的響應結果，(i) 紅光（650 nm）、綠光（550 nm）、藍光（450 nm），(ii) 900 nm近紅外光，和(iii) 1100 nm近紅外光。
【結論】
綜上所述，復旦大學相關課題組成功研制了一種創新的MoTe2/Si 2D-3D異質結，致力于高速寬帶光電二極管的應用，并對其光響應特性進行了全面研究。實驗結果表明，該光電二極管具有優秀的性能，具體表現為521.1 mA/W的響應度，1.17 × 1011 Jones的探測率，響應時間小于4 ms，光響應波長范圍為300至1100 nm。我們還證實了MoTe2/Si光電二極管陣列的高度均勻性和100%的有效像素率。該設備的高性能主要歸功于高純度的2H-MoTe2單晶材料以及與硅基板之間界面缺陷的顯著減少。通過采用非對稱電極設計，成功增強了異質結內部的電場效應。此外，本研究構建了成像系統，并成功獲取了32 × 32像素陣列的清晰光響應圖像。這項研究為2D-3D異質結構在高速寬帶光檢測器應用中開辟了新的技術路徑。