浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2023, 57(1): 190-199 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2023.01.019

计算机技术、通信工程

氧化铝增强的PdSe2/Si异质结光电探测器

贺亦菲,, 杨德仁, 皮孝东,

1. 浙江大学 材料科学与工程学院，浙江 杭州 310027

2. 浙江大学杭州国际科创中心，浙江 杭州 311200

Enhanced PdSe2/Si heterojunction photodetector by Al2O3 layer

HE Yi-fei,, YANG De-ren, PI Xiao-dong,

1. School of Materials Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

2. Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center, Zhejiang University, Hangzhou 311200, China

通讯作者: 皮孝东，男，教授. orcid.org/0000-0002-4233-6181. E-mail： xdpi@zju.edu.cn

收稿日期: 2022-04-8  

基金资助: 国家重点研发计划资助项目（2017YFA0205700，2018YFB2200101）

Received: 2022-04-8  

Fund supported: 国家重点研发计划资助项目（2017YFA0205700，2018YFB2200101）

作者简介 About authors

贺亦菲（1997—），女，硕士生，从事硅基光电探测器的研究.orcid.org/0000-0003-3013-7393.E-mail：yf_h@zju.edu.cn , E-mail：yf_h@zju.edu.cn

摘要

为了降低暗电流，通过原子层沉积(ALD)生长了一层氧化铝（Al2O3）隧穿层，制备了PdSe2/Al2O3/Si异质结光电探测器. 通过优化Al2O3层的厚度，使得该探测器实现了高速和宽光谱响应. 研究结果表明，在波长为808 nm的光照射和−2 V偏压下，所制备的光电探测器与未生长Al2O3的器件相比，暗电流降低了约3个数量级，器件的光响应度达到了约为0.31 A/W，对应的比探测率约为2.5×1012 Jones，器件在零偏压下表现出明显的自驱动效应. 经过循环测试1 200次后，器件保持良好的光响应. 器件响应的上升时间和下降时间分别为7.1和15.6 μs. 结果表明，在二维层状半导体材料与Si之间引入Al2O3隧穿层，可以有效地降低器件的暗电流，有利于高性能的Si基光电探测器的制备.

关键词： 硅 ; 二硒化钯 ; 异质结 ; 原子层沉积(ALD) ; 快速光响应 ; 隧穿光电探测器

Abstract

PdSe2/Al2O3/Si heterojunction device was fabricated by inserting Al2O3 tunneling layer grown by atomic layer deposition (ALD) in order to decrease the dark current. A fast and broadband photodetector was realized by optimizing the thickness of Al2O3. Results showed that the dark current of PdSe2/Al2O3/Si device was reduced by about 3 orders of magnitude compared with the device without Al2O3 layer under 808 nm illumination and −2 V bias voltage. The photoresponsivity of the device was about 0.31 A/W and the corresponding specific detectivity was about 2.5×10 12 Jones. The device exhibited obvious self-driving effect without bias. The device still maintained a better photoresponse after 1 200 cycles of cyclic testing. The rise time and fall time of photoresponse were 7.1 μs and 15.6 μs, respectively. The introduction of Al2O3 tunneling layer between the two-dimensional layered semiconductor material and silicon can effectively reduce the dark current of the device and is beneficial to achieving high-performance silicon-based photodetectors.

Keywords： silicon ; palladium diselenide ; heterojunction ; atomic layer deposition (ALD) ; fast photoresponse ; tunneling photodetector

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本文引用格式

贺亦菲, 杨德仁, 皮孝东. 氧化铝增强的PdSe2/Si异质结光电探测器 . 浙江大学学报(工学版)[J], 2023, 57(1): 190-199 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2023.01.019

HE Yi-fei, YANG De-ren, PI Xiao-dong. Enhanced PdSe2/Si heterojunction photodetector by Al2O3 layer . Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2023, 57(1): 190-199 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2023.01.019

光电探测器在光通讯、成像、医疗等领域被广泛应用. 2004年，二维层状材料石墨烯（graphene, Gr）被首次发现. 随后，研究发现了大量二维层状材料，如黒磷（black phosphorus, BP）、二维过渡金属硫族化合物（two-dimensional transition metal dichalcogenides, 2D-TMDs）等. 二维层状材料具有独特的光电性能，常用于制备光电探测器. Gr是零带隙的材料，但Gr光电探测器件往往面临着大暗电流的问题，限制了光电探测器的比探测率和开关比（ION/OFF）[1-2]. BP在空气中非常容易被氧化[3- 4]. 2D-TMDs，如MoS2、WS2、WSe2等的带隙大小与材料层数紧密相关[5-7]，但是这些光电探测器的比探测率D*和开关比受到了大暗电流的限制[8-9]，器件响应较慢[10-12].

近年来，新型二维层状材料贵金属过渡金属硫族化合物（two-dimensional noble transition-metal dichalcogenides, 2D-NTMDs）的研究引起了更多研究人员的关注，与传统的2D-TMDs相比，它们表现出更宽的带隙调控范围，可以实现超宽光谱响应，具有优异的空气稳定性和高载流子迁移率的特性[13-14]. 2D-TMDs中的PdSe2具有非常优异的光学和电学特性，被广泛应用于光电器件中[15-18]. PdSe2 具有以下优点. 1）带隙具有明显的层数依赖性[19-20]，带隙范围为0~1.3 eV（体相到单层），可以用于超宽光谱响应的光电探测器. 2）层间通过范德华力结合[21]，没有多余的悬挂键，与其他半导体结合不需要满足晶格匹配，容易形成异质结. 3）具有高载流子迁移率，可以用于快速响应的光电探测器[20]. 4）制备工艺与互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）工艺兼容，有望集成到超大规模集成电路中. 5）高空气稳定性和各向异性[22-24]. 关于晶体管型PdSe2光电探测器的研究已有相关报道，尽管器件表现出高增益的特点，但是器件的响应速度慢[20, 25]. 对于异质结器件，随着反向偏压的增加，器件的暗电流会显著增大，器件的光开关比和比探测率会降低[26].

已有研究表明，通过在异质结界面处生长一层薄绝缘层（如AlN[27]、Al2O3[28, 29]、h-BN[30]或TiO2[31]）作为隧穿层，以形成金属-绝缘层-半导体(MIS)结构，能够有效地降低器件的暗电流，提高器件的比探测率. 本文采用原子层沉积（ALD）的方法，在PdSe2与Si之间生长一层Al2O3薄膜，使得基于PdSe2/Al2O3/Si异质结的器件能够获得低暗电流，光生载流子可以隧穿通过Al2O3层，提高器件的比探测率和开关比. 通过对Al2O3的厚度进行优化，研究基于PdSe2/Al2O3/Si异质结的器件的光电探测性能，包括响应度、比探测率、响应时间等. 探究器件在不同波长下的光电探测性能，发现所获得的Si基异质结型光电探测器具有响应超过Si截止波长（约为1100 nm）的探测能力.

1. 实验方法

1.1. 材料与器件制备流程

PdSe2/Al2O3/Si异质结光电探测器的制备流程如下. 依次用丙酮、异丙醇、乙醇对带有300 nm二氧化硅（SiO2）层的n型氧化硅片（电阻率为1~10 Ω/cm）进行超声清洗30 min. 在真空烘箱中对氧化硅片表面进行HDMS预处理后旋涂正胶，经过前烘干、激光直写曝光、显影、后烘干后，得到大小为500 μm×500 μm的窗口，将片子浸泡在配制的BOE溶液（NH4F溶液（wB=40%）与HF溶液（wB=40%）的体积比为 6∶1）中以刻蚀SiO2，得到硅窗口. 使用丙酮、异丙醇、去离子水将光刻胶清洗干净后，利用原子层沉积法在硅窗口沉积了2 nm的Al2O3薄膜. 所用铝源为三甲基铝（TMA），氧源为水（H2O），沉积过程中保持铝源与水源的比例为1∶2，生长温度为200 ℃，生长速率约为1 Å/cycle. 经过HMDS处理、旋涂正胶、前烘干、激光直写曝光、显影、后烘干等流程后，得到顶部电极窗口，利用磁控溅射得到Ti/Au（5 nm/100 nm）顶部电极. 使用丙酮、异丙醇、去离子水将光刻胶清洗干净后，将购买于深圳六碳科技有限公司的采用CVD法生长的PdSe2薄膜转移到Al2O3窗口处. 具体方法如下. 将PMMA较均匀地滴在生长了PdSe2的SiO2/Si的片子表面，在100 ℃下烘烤10 min后，将其浸泡在氢氧化钾溶液中. 待PMMA/PdSe2薄膜与衬底脱离后，捞出PMMA/PdSe2薄膜在去离子水中清洗5次后，将其转移到Al2O3/Si窗口处，待自然晾干后在80 ℃下烘烤10 min. 将片子浸泡在丙酮中，以完全清除掉PMMA. 在硅片背部涂上InGa合金，形成了硅的背电极.

1.2. 实验仪器

步进式激光直写曝光系统的型号为HEIDELBERG DWL66+. X射线光电子能谱仪（XPS）使用Escalab 250Xi能谱仪. 拉曼测试使用SENTERRA激光共聚焦显微镜. 原子力显微镜（AFM）使用Dimension Edge Multimode-8原子力显微镜. 透射电子显微镜（TEM）型号为FEI STRATA 400S. 电流I-电压V曲线、I-t响应曲线、1/f噪声采用半导体分析仪FS-Pro测试. 所用光源的波长分别为375、532、808、980、1342 nm.

2. 结果与讨论

2.1. 材料表征

为了减小器件的暗电流，通过ALD引入一层Al2O3薄膜，制备PdSe2/Al2O3/Si异质结光电探测器，器件结构如图1所示. 如图2所示为通过ALD生长的Al2O3薄膜的XPS图谱，利用高斯拟合对特征峰进行分析. 图中，Is为强度，Eb为结合能. 从图2（a）可以看出，O 1s峰的2个峰位于531 eV和532.3 eV处，分别对应Al2O3中的O2−价态和由氧源（H2O）引入的OH−基团. 从图2（b）可以看出，Al 2p峰位于约74 eV处，对应Al2O3中的Al3+[32]，表明通过ALD成功生长了Al2O3薄膜.

图 1

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图 1   PdSe2/Al2O3/Si异质结器件的结构示意图

Fig.1   Schematic diagram of PdSe2/Al2O3/Si heterojunction device


图 2

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图 2   ALD生长的Al2O3薄膜的XPS图谱

Fig.2   XPS spectra of Al2O3 films grown by ALD


如图3（a）所示为采用CVD法生长PdSe2薄膜拉曼图谱和利用PMMA辅助转移到有、无Al2O3薄膜的Si窗口后PdSe2的拉曼图谱. 图中，x为拉曼位移. 从图3（a）的拉曼图谱可以看出，4个特征峰分别位于146.5、208、224.5、260 cm−1处，它们分别对应PdSe2的Ag1、Ag2、B1g2和Ag3 4种模式[16]. 通过对比转移前、后的拉曼图谱可以看出，拉曼图谱中峰的位置和强度没有发生明显变化，说明转移过程没有对PdSe2薄膜造成破坏及性能损失. 如图3（b）、(c）所示分别为PdSe2的Pd 3d和Se 3d的分峰拟合结果. 可以看出，Pd 3d峰的2个特征峰分别位于336.6 eV和342 eV，分别对应于Pd 3d5/2和Pd 3d3/2；Se 3d峰的2个特征峰分别位于54.7 eV和55.5 eV，分别对应于Se 3d5/2和Se 3d3/2[33]. 如图3（d）所示为PdSe2薄膜的AFM图像. 可以看出，薄膜生长均匀，厚度约为10 nm. 单层PdSe2的厚度约为0.6 nm，因此PdSe2薄膜约为16层[21].

图 3

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图 3   PdSe2薄膜的表征

Fig.3   Characterization of PdSe2 film


如图4所示为生长了PdSe2/Al2O3/Si器件的TEM截面图，可以看到一层厚度约为2 nm的致密的Al2O3层，PdSe2与Al2O3的接触非常紧密. 另外，还有一层约2.5 nm厚的SiO2层，这是由于Si在空气中自然氧化导致的.

图 4

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图 4   PdSe2/Al2O3/Si异质结的TEM截面图

Fig.4   Cross-section view TEM image of PdSe2/Al2O3/Si


2.2. 有、无Al2O3界面层器件的性能对比

如图5（a）所示为（Al2O3厚度为2 nm）、无Al2O3薄膜器件在暗态和光照下的I-V曲线. 可以看出，生长了Al2O3薄膜的PdSe2/Al2O3/Si器件（Al2O3厚度为2 nm）与未生长Al2O3薄膜的PdSe2/Si器件相比，暗电流降低. 随着反向偏压的增加，器件暗电流降低更加明显. 当偏压为−2 V时，暗电流降低了约3个数量级. 当偏压为±2 V时，器件具有高整流比（约为5×105）. 在光照下器件的光电流没有明显被降低，这是由于光生载流子可以隧穿通过这一薄层Al2O3，产生光电流[28, 34]. 测试这2种器件频率f为1~105 Hz时的电流噪声功率(noise power density, NPD)图谱，如图5（b）所示. 可知，即使在−2 V偏压下，PdSe2/Al2O3/Si器件仍然具有较低的NPD. 当频率为1 Hz时，PdSe2/Al2O3/Si器件的电流噪声in = (NPD)1/2≈0.166 pA/Hz1/2，PdSe2/Si器件的in ≈ 0.31 nA/Hz1/2.

图 5

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图 5   PdSe2/Al2O3/Si和PdSe2/Si异质结器件在暗态和波长为808 nm的光照射下的光电性能对比

Fig.5   Comparison of PdSe2/Al2O3/Si and PdSe2/Si heterojunction device without illumination and under 808 nm illumination


对Al2O3的厚度进行优化，在波长为808 nm的光照和−2 V偏压下，测试各器件的I-t曲线，如图5（c）所示. 可知，随着Al2O3厚度的增加，器件的暗电流降低；当Al2O3厚度 > 2 nm时，光生载流子的隧穿距离增加，器件的光电流降低 [35]. 确定Al2O3的最佳厚度为2 nm.

2.3. PdSe2/Al2O3/Si器件的光电探测性能

如图6所示为PdSe2/Al2O3/Si器件在暗态下的ln I-V曲线. 通过计算发现，器件的理想因子约为1.4，该值接近理想值1，表明该器件具有低界面复合速率. 利用式（1）[36]对器件的串联电阻Rs进行计算，对dV/dlnI-I曲线进行拟合，结果如图6所示. 器件的Rs约为7 kΩ.

图 6

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图 6   PdSe2/Al2O3/Si器件的ln I-V曲线

Fig.6   ln I-V curve of PdSe2/Al2O3/Si device


$ \frac{{{\text{d}}V}}{{{\text{dln}}\,I}} = IR_{\rm{s}}+\frac{{nk_{\rm{B}}T}}{q} . $

如图7所示为PdSe2/Al2O3/Si器件在暗态下的1/C2-V曲线，测试频率为5 kHz，温度为300 K. 通过对曲线进行线性拟合，得到器件的肖特基势垒高度约为0.7 eV[37].

图 7

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图 7   PdSe2/Al2O3/Si器件的1/C2-V曲线

Fig.7   1/C2-V curve of PdSe2/Al2O3/Si device


为了对器件光电探测性能进行表征，测试了Al2O3厚度为2 nm的PdSe2/Al2O3/Si器件在波长为808 nm的光照射（光斑直径约为500 μm，温度为300 K，大气环境）下器件的I-V曲线与辐照度E的关系，如图8（a）所示. 可知，随着辐照度的增加，光电流Iph不断增加，这是由于随着辐照度的增加，耗尽区内产生的光生载流子增加. 在同一辐照度下，随着反向偏压的增加，光电流刚开始增加明显，随后趋于饱和. 这是因为在反向偏压下，光生载流子能够更快地达到电极处被收集起来，当反向偏压达到一定值后，几乎所有的光生载流子都能够被电极所收集，此时光电流达到饱和状态. 如图8（b）所示为当反向偏压为−2 V时，该器件在不同辐照度的波长为808 nm的光照射下的I-t曲线，可以看到器件具有快速且稳定的开关性能. 在−2 V偏压下，当辐照度为75.6 mW/cm2时，该器件的电流开关比可以高达约105，即使在0.1 mW/cm2的弱光下，器件电流开关比仍然较高(≈102). 当偏压为−2 V时，利用下式对光电流和辐照度的关系进行拟合：

图 8

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图 8   PdSe2/Al2O3/Si异质结器件的光响应与辐照度的关系

Fig.8   Relationship of responsivity and light intensity of PdSe2/Al2O3/Si heterojunction device


$ I_{\rm{ph}} \propto {P^\theta } . $

可以得到与载流子复合速率相关的经验值θ，理想值为1[38]. 结果如图7（c）所示，此时θ ≈ 1.0，表明该器件形成了很好的异质结结构.

为了表征器件的光响应特性，分别利用下式计算Al2O3厚度为2 nm的PdSe2/Al2O3/Si和PdSe2/Si器件在波长为808 nm的光照射下的R、NEP和D*：

$ R = \frac{{I_{\text{light}} - I_{{\rm{dark}}}}}{{P_{\text{in}}S}} , $

$ {\rm{NEP}}=\frac{（2{e}I_{{\rm{dark}}}{)}^{1/2}}{R} , $

$ {D^*} = \frac{{{A^{1/2}}}}{{{\rm{NEP}}}} . $

式中：Ilight和Idark分别为光照和暗态下的电流，Pin为入射光功率密度，S为光照面积，A为器件面积，e为电子电荷量.

如图9（a）所示为器件光响应度与辐照度的关系. 可以看出，在引入界面钝化层Al2O3之后，器件的R略增大，这是因为器件的暗电流被降低了，R约为0.31 A/W. 随着辐照度的增加，光生载流子增加，施加的−2 V反向偏压能够加速载流子的分离，使得PdSe2/Al2O3/Si器件能够达到饱和光电流，响应度不会被降低. 如图9（b）所示为器件的NEP和D*与辐照度的关系. 可以看出，PdSe2/Al2O3/Si器件的NEP约为2×10−14 W/Hz1/2，对应的D*约为2.5×1012 Jones. 在引入Al2O3层后，器件的暗电流降低，使得NEP明显降低，器件的比探测率显著提高.

图 9

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图 9   PdSe2/Al2O3/Si和PdSe2/Si异质结器件的光响应特性

Fig.9   Photoresponse of PdSe2/Al2O3/Si and PdSe2/Si heterojunction devices


除了R、D* 2个重要的性能参数外，器件的响应速度非常重要. 如图10（a）、（b）所示分别为在波长为808 nm的光照射下，当调制频率为500 Hz时，PdSe2/Al2O3/Si和PdSe2/Si异质结器件的响应时间曲线. 上升时间trise和下降时间tfall分别是指光电流从饱和值Imax的10%上升到90%和从饱和值的90%下降到10%所需的时间，可以看出PdSe2/Al2O3/Si器件响应的上升时间和下降时间分别为7.1 μs和15.6 μs，PdSe2/Si器件响应的上升时间和下降时间分别为8.6 μs和12.6 μs. 出现响应尖峰主要是由于器件和电路中存在的电容导致的. 结果表明，引入一层薄的Al2O3隧穿层对器件的响应时间影响不大.

图 10

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图 10   PdSe2/Al2O3/Si和PdSe2/Si异质结器件的响应时间

Fig.10   Response time of PdSe2/Al2O3/Si and PdSe2/Si heterojunction device


为了表征PdSe2/Al2O3/Si异质结器件的稳定性，对该器件在偏压为−2 V时进行1 200个周期的开关循环测试，I-t曲线如图11所示. 图中，N为循环次数. 对比整个过程中的光电流可以看出，整个过程中器件光响应几乎很稳定，没有明显降低，在测试了1200次后能够保持和初始值相当的光电流，表明该器件具有非常稳定、可靠的光响应特性.

图 11

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图 11   PdSe2/Al2O3/Si异质结器件在−2 V偏压下的1 200次循环稳定性测试

Fig.11   Stability of PdSe2/Al2O3/Si heterojunction with 1200 cycles at −2 V bias voltage


如图12（a）所示为I-V曲线的局部放大图. 可以看出，该器件具有明显的光伏效应特性，当辐照度为50.4 mW/cm2时，开路电压和短路电流分别为0.3 V和4.98 μA，表明在零偏下该器件具有自驱动效应. 这是因为在PdSe2与Si异质结耗尽区内存在内建电场，光生载流子在该内建电场的作用下被分离，表现出自驱动效应. 如图12（b）所示为器件在零偏压下R和D*与辐照度的关系.在零偏压下，器件的最大R可以达到0.29 A/W，对应的D*为1.5×1013 Jones，证明了器件的自驱动效应. 从图12（b）可以看出，随着辐照度的增加，器件的R和D*逐渐降低，这是因为辐照度越大，虽然光生载流子增加，但光生载流子的复合速率也增大了. 在零偏压下测试器件的响应上升时间和下降时间均小于30 μs，表明器件在零偏压下具有快速响应的特性. 经过1 200次循环稳定性测试后，器件的光响应未明显下降，测试结果与−2 V偏压下类似. 器件在零偏压下的响应时间大于器件在−2 V反向偏压下的响应时间，这是因为随着偏压的增加，载流子的分离能力增强.

图 12

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图 12   PdSe2/Al2O3/Si异质结器件的自驱动效应

Fig.12   Self-driven effect of PdSe2/Al2O3/Si heterojunction device


利用波长分别为375、532、808、980和1 342 nm的激光器，测试器件的光响应特性，如图13所示. 当光照条件保持一致时（光功率为25 μW)，该器件的光响应与波长具有明显的依赖性，该器件表现出在波长为375~1342 nm条件下的宽光谱响应特性. 当波长为808 nm时，器件表现出最大响应.

图 13

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图 13   PdSe2/Al2O3/Si异质结器件在波长为375~1 342 nm的光照下的光响应特性

Fig.13   Performance of PdSe2/Al2O3/Si heterojunction device under 375~1 342 nm illumination


为了对PdSe2/Al2O3/Si异质结器件对大于Si的截止波长（约为1100 nm）的光信号的探测能力进行表征，测试器件在波长为1342 nm的光照下的光电探测性能，如图14所示. 如图14（a）所示为器件在波长为1342 nm的条件下测试得到的I-V曲线. 可以看出，该器件具有对该波长的光的响应能力，表明利用PdSe2与Si结合制备的异质结器件，能够有效地突破硅的响应波长带宽. 如图14（b）所示，器件在不同反向偏压下，光的波长为1 342 nm（光功率为1 μW）时，PdSe2/Al2O3/Si异质结器件的I-t曲线. 可以看出，随着反向偏压的增加，器件的暗电流和光电流都逐渐增大，具有稳定的光开关特性. 如图14（c）所示为器件在不同反向偏压下的R和D*. 可知，随着反向偏压的增加，器件的光响应度增大并保持稳定，这是因为器件达到了饱和光电流.当反向偏压为−2 V时，器件的光响应度和比探测率分别为0.7 mA/W和1.7×109 Jones.

图 14

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图 14   PdSe2/Al2O3/Si异质结器件的在波长为1 342 nm的光照下的光响应特性

Fig.14   Performance of PdSe2/Al2O3/Si heterojunction device under 1342 nm illumination


2.4. 机理分析

通过UPS测试得到PdSe2费米能级约为5.41 eV，1~10 Ω /cm的n型Si的功函数约为4.31 eV[39]. 由于PdSe2和Si具有不同的费米能级，当二者接触时，电子会从Si转移到PdSe2以达到热平衡，使得Si表面带正电，PdSe2表面带负电，直到Si和PdSe2的费米能级在同一水平. 这一空间电荷区（即耗尽区）会形成从Si指向PdSe2的内建电场，在空间电荷区中Si的能带将向上弯曲. 在引入Al2O3隧穿层后，器件的暗电流明显降低，光生载流子仍然可以隧穿通过绝缘层. 如图15所示为在光照和零偏压下PdSe2/Al2O3/Si异质结的能带结构图，其中Si的带隙为1.12 eV，Al2O3的带隙为7.1 eV[40]. 图中，Eva为真空能级，EF为费米能级，Eg为带隙，Ec为导带，Ev为价带. 在光照下，当光子能量大于Si的带隙1.12 eV时，光将会被Si和PdSe2吸收，光生电子-空穴对会在耗尽区内和耗尽区附近产生，在内建电场作用下被分离，从而产生光电流. 当光子能量小于1.12 eV时，光只能被PdSe2吸收，此时光电流产生的机理与金属-半导体肖特基结的内部光效应类似[41-42]. 在施加反向偏压后Si的能带比零偏压下更弯曲，耗尽区更宽，载流子的漂移运动被增强，此时光生载流子更容易通过隧穿层，降低了载流子的复合速率，更有利于光生载流子的快速分离[39].

图 15

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图 15   PdSe2/Al2O3/Si异质结的能带结构图

Fig.15   Band diagram of PdSe2/Al2O3/Si heterojunction device


如表1所示为不同二维层状半导体材料器件及带有不同界面层的器件的光电探测性能. 可以看出， PdSe2/Al2O3/Si异质结器件具有较高的开关比和比探测率，还具有明显的自驱动效应，在波长λ为808 nm的光照射下表现出超快的响应速度，证明该器件具有优异的光电探测性能.

表 1   PdSe2/Al2O3/Si器件与其他二维层状材料探测器的主要性能参数对比

Tab.1  Comparison of key parameters of our device with other reported photodetectors based on two dimensional materials devices

器件 ION/OFF R/(A·W−1) D*/Jones λ/nm trise, tfall/μs V/V 参考文献
Gr/Si 104 0.435 ~108 850 1200,3000 −2 [1]
Gr/Ge 104 0.0518 ~1010 1550 23,108 0 [2]
MoS2 104 0.57 ~1010 532 70,110 −10 [8]
MoS2 103 5.07 ~1010 500 1×105 1.5 [9]
WS2 — 7.3 ~1012 500 5000,7000 1 [10]
PdSe2 — 161.9 ~1010 655 2×108 — [20]
PdSe2/Si 105 0.3 ~1013 780 38,44 0 [26]
PdSe2 — — — 1.06 156,163 — [25]
Gr/AlN/Si — 3.96 — 850 — −10 [27]
Si/Al2O3/ZnO — 0.41 ~1012 940 15 0 [28]
Gr/Al2O3/GaAs — 0.12 ~1011 808 8.16,98.43 0 [29]
Gr/hBN/Si 107 — ~1010 725 910,1080 −0.03 [30]
PdSe2/Al2O3/Si 105 0.31 ~1012 808 7.1,15.6 −2 本文工作
PdSe2/Al2O3/Si 105 0.29 ~1013 808 7.1,15.6 0 本文工作

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3. 结　论

（1）利用ALD法生长Al2O3绝缘层充当隧穿层，可以有效地降低器件的暗电流，提高了Si基异质结器件的光电探测性能.

（2）PdSe2具有高载流子迁移率，使得基于PdSe2/Al2O3/Si的异质结器件表现出超快的光电响应特性，表明器件在高速响应的光电探测系统中具有很大的应用前景.

（3）通过将二维贵金属硫族化合物PdSe2与Si结合形成异质结器件，利用PdSe2的宽光谱响应特性，使得该光电探测器实现了波长在375~1342 nm范围内的宽光谱响应，有效地突破了Si的响应带宽限制. 器件在超过Si的截止波长的光照下，光响应较弱，今后需要进一步研究PdSe2/Si异质结器件性能的提升方法.

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