光電探測器是多種光學和光電應(yīng)用的核心器件，近日，中國科學院長春光機所發(fā)光學及應(yīng)用國家重點實驗室黎大兵研究員、李紹娟研究員與新加坡國立大學仇成偉教授、電子科技大學魏靜軒教授合作，報道了一種創(chuàng)新的方法來同步提升光電探測器的響應(yīng)度和響應(yīng)速度，為解決探測器響應(yīng)度和速度相互制衡的領(lǐng)域難題提供了一種新的策略。相關(guān)成果以標題為“photogating-assisted tunneling boosts the responsivity and speedof heterogeneous wse2/ta2nise5 photodetectors ”發(fā)表在nature communications上。

近年來，光子集成電路、物聯(lián)網(wǎng)、自動化等新興技術(shù)的高速發(fā)展推動著光電探測器向著高性能、低功耗和多功能的方向變革。以石墨烯為代表的二維材料具有強的光-物質(zhì)相互作用、可調(diào)帶隙以及原子級銳利異質(zhì)界面等優(yōu)勢，此外，與現(xiàn)有半導體產(chǎn)線之間具有很好的兼容性，為實現(xiàn)高性能的光電探測器件提供了一個豐富研究平臺。迄今為止，光柵壓效應(yīng)是實現(xiàn)高響應(yīng)度二維材料光電探測器的主要工作機制，可以實現(xiàn)超高的響應(yīng)度(103-107 a/w)。然而，由于材料內(nèi)部的缺陷態(tài)對光生載流子的俘獲，導致了長的載流子壽命，從而犧牲了器件的響應(yīng)速度(通常在毫秒范圍)，極大地限制了器件在成像等方面的實際應(yīng)用。截至目前，如何克服響應(yīng)度和速度之間的權(quán)衡問題并拓展光電探測器的功能仍然非常具有挑戰(zhàn)性。

研究團隊從增益的底層物理出發(fā)，從一個新的角度報道了一種wse2/ta2nise5異質(zhì)結(jié)光電探測器，提出的新的物理機制—光柵壓輔助隧穿效應(yīng)—可以同時提高光探測增益和響應(yīng)速度。一方面載流子隧穿過程可以大大縮短器件的傳輸時間，顯著提高光電探測增益，可以實現(xiàn)較高的響應(yīng)度(103 a/w)。另一方面，通過調(diào)控材料內(nèi)部的陷阱態(tài)，也可以縮短載流子壽命，從而實現(xiàn)較快的響應(yīng)速度(～1µs)。因此同步的調(diào)控了光生載流子壽命和渡越時間，改善了器件響應(yīng)度和速度之間的權(quán)衡的問題。

在器件功能方面，由于ta2nise5材料具有面內(nèi)各向異性的晶體結(jié)構(gòu)，導致其光生載流子的數(shù)量對入射光的偏振方向敏感，體現(xiàn)出偏振各向異性響應(yīng)。此外，施加的源-漏極偏置可以改變器件在光柵壓過程中光生載流子的散射，導致器件的各向異性光響應(yīng)是偏置可調(diào)和波長敏感的。進一步，在簡單的雙電極配置條件下，利用器件的光響應(yīng)對偏壓和波長的依賴性使我們有望通過掃描偏壓來區(qū)分不同的波長，在波長分辨等方面的應(yīng)用具有巨大的發(fā)展前景。

相關(guān)工作成果解決了響應(yīng)度和速度之間的權(quán)衡，并實現(xiàn)寬帶可波長分辨的偏振光電探測，為探索新穎的偏振成像、高對比度偏振器、小型光譜儀等片上光電應(yīng)用提供了可能性。

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所是本研究論文的第一通訊單位，中國科學院長春光機所黎大兵研究員、李紹娟研究員、新加坡國立大學仇成偉教授為論文共同通訊作者。中國科學院長春光機所博士生劉明秀，電子科技大學魏靜軒教授，中國科學院長春光機所助理研究員戚劉健，為論文共同第一作者。該研究工作得到了國家自然科學基金委創(chuàng)新群體、國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金、科技部重點研發(fā)計劃等項目的資助。