《Applied Surface Science》：Energy-efficient WS
2/Si heterojunction photodetector with enhanced UV-NIR broadband behavior for advanced optoelectronic devices
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宽光谱低功耗光电探测器研究：采用直流磁控溅射制备n-WS?/p-Si异质结，实现376-1064 nm响应，零偏压下紫外响应度3.33 mA/W，自供电特性由Au/Cr和Pt不对称电极调控，超快响应时间（20-32.8 ms），适用于光通信和生物传感。
曼普里特·考尔（Manpreet Kaur）|阿比吉特·丹达（Abhijeet Dhanda）|普里扬克·特里帕蒂（Priyank Tripathi）|苏迪尔·胡萨莱（Sudhir Husale）|普里塔姆·辛格（Preetam Singh）|达文德·考尔（Davinder Kaur）
功能性纳米材料研究实验室（Functional Nanomaterials Research Laboratory，FNRL），印度理工学院鲁尔基分校（Indian Institute of Technology Roorkee）物理系及纳米技术中心，鲁尔基247667，北阿坎德邦（Uttarakhand），印度
摘要
宽带、低功耗的光电探测器在光通信、生物医学诊断、成像和环境监测等新兴技术中至关重要。然而，实现具有高响应度、快速切换和自供电功能的无缝紫外-可见光-近红外（UV–Vis-NIR）检测仍然是传统半导体平台面临的持续挑战。本研究报道了一种高效n-WS?/p-Si异质结光电探测器，该探测器通过直流磁控溅射技术实现，为制备纯净的WS?/Si界面提供了一种可扩展且无需转移的方法。溅射沉积的WS?层形成了均匀的纳米结构表面，增强了界面电荷传输并促进了载流子的有效提取。所得异质结展现了376–1064纳米范围内的宽带光响应，并通过非对称的金/铬（Au/Cr）和铂（Pt）接触实现了自供电功能，这些接触放大了内置电场。在0伏偏压下，该器件在紫外、可见光和近红外波长下的响应度分别为3.33、12.9和5.37毫安/瓦（mA/W）。施加500毫伏的中等偏压后，响应度分别提升至121.8、444.4和370.37毫安/瓦，探测率分别为1.98×101?、7.14×101?和5.67×101?琼斯（Jones）。该器件还表现出快速的时间动态特性，在紫外区域上升/衰减时间仅为20/32.8毫秒。这些发现表明，溅射制备的WS?/Si异质结是用于宽带和节能光电系统的有前景且与工业应用兼容的平台。
引言
现代技术的不断进步显著增加了对高性能光电探测器的需求，这类探测器需要具备宽光谱响应和低功耗特性。这些器件在快速光通信、生物医学传感、热成像和环境监测等多种应用中发挥着重要作用。尽管材料科学和器件工程取得了显著进展，但同时实现宽带检测、低功耗运行和超快瞬态响应的光电探测器仍然是一个重大挑战[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。作为电子领域与光学领域之间的关键接口，光电探测器将入射光子转换为可测量的电信号，推动了先进光电和传感技术的发展[6]。根据光谱响应，光电探测器通常被分为窄带和宽带两种类型。窄带光电探测器专门设计用于在特定波长范围内提供精确的光谱选择性；而宽带光电探测器则扩展了检测带宽，能够在整个宽光谱范围内实现高效的光响应[7]、[8]、[9]。
在紫外（UV）、可见光（Vis）和近红外（NIR）区域实现高灵敏度和响应的多带光检测是现代光电学长期追求的目标[10]、[11]。然而，基于GaN、Ge、Si、HgCdTe、InSb和InGaAs等成熟半导体的传统商用光电探测器受到其固定带隙的限制，因此只能在有限的光谱范围内高效工作。此外，这些材料的制备过程复杂且成本高昂[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]，这严重限制了它们在宽带和多光谱检测方面的潜力，凸显了开发新型材料系统的必要性，以统一和扩展检测范围[18]、[19]、[20]。
二维（2D）材料因其超薄几何结构、高载流子迁移率和显著的光-物质耦合效应，已成为下一代光电技术的优秀平台[21]、[22]、[23]。其中，石墨烯和过渡金属硫属化合物（TMDs）作为宽带光检测的候选材料受到了广泛关注[2]、[24]。TMDs具有可电子调控的异质结界面和优异的光电性能，超越了传统块体半导体的局限[25]、[26]。单层结构中的直接带隙[27]、高效率[28]以及强激子效应[29]为TMDs在光电探测器中的应用提供了额外优势。TMDs的范德华键合特性使其能够形成不受晶格匹配限制的高质量异质结构，为开发可扩展、高性能和多功能的光电探测器提供了灵活的方法[30]、[31]。在各种TMDs中，WS?因其独特的结构和电子特性而尤为突出。WS?具有极高的光吸收系数（10?–10?厘米?1），即使在薄层也能高效吸收光[32]。其厚度依赖的带隙从块体态的间接带隙（约1.3电子伏特，eV）变为单层态的直接带隙（约2.1电子伏特，eV），为宽带检测提供了出色的光谱可调性。此外，WS?具有理论预测的高电子迁移率（约1100厘米2伏特?1秒?1）和强激子结合能（约700–800毫电子伏特，meV），这些特性共同促进了高效的载流子传输和显著的激子效应[34]。这些内在优势使WS?成为高性能、自供电和宽带光电探测器的理想选择。
WS?薄膜通常采用化学气相沉积（CVD）和水热处理等技术合成。尽管CVD需要高温、有毒前驱体和复杂的转移步骤，但水热方法可能会引入化学残留物、较差的附着力和有限的界面质量[35]、[36]。这些缺点阻碍了制备具有明确电子特性的纯净、可重复的WS?/Si异质结。相比之下，直流磁控溅射提供了一种清洁、可扩展且环保的替代方法，无需使用有害前驱剂，并能精确控制薄膜厚度、成分和形貌[37]。此外，溅射技术可以直接在硅衬底上生长出均匀、完全附着的WS?层，减少转移引起的界面缺陷，显著提高结质量和器件重复性[38]、[39]。
本研究报道的WS?/Si光电探测器采用两步制备工艺，包括硫化和高温退火以获得适当的WS?薄膜化学计量比[30]、[40]。本研究提出了一种一步法直流磁控溅射工艺，无需硫化步骤，简化了制备过程。更重要的是，该研究强调了非对称金属接触（WS?侧的Au/Cr和Si侧的Pt）在电荷收集和自供电中的作用。文中还提供了包含WS?/Si p-n结和金属-半导体接触的详细能带图，解释了零偏压下的电荷分离和传输机制。据我们所知，此前尚未有结合结和接触效应的电荷分离和传输机制的制备方法及机制解释。
制备的WS?/Si异质结在零外部偏压和低偏压下均表现出高效的光检测性能。在532纳米波长、0伏偏压下，该光电探测器的响应度高达12.9毫安/瓦，特定探测率超过3.17×101?琼斯（Jones），响应时间仅为26.7毫秒/38.5毫秒。在紫外区域，零偏压下的响应度和探测率分别为3.33毫安/瓦和7.77×10?琼斯，响应时间为20毫秒/32.8毫秒。工程化的II型带对齐进一步实现了高达1064纳米的近红外检测。这些发现凸显了溅射制备的WS?/Si异质结在宽带和节能光电系统中的巨大潜力。
WS?/Si异质结光电探测器的制备
n-WS?/p-Si异质结光电探测器采用直流磁控溅射技术制备。使用面积为1×1平方厘米的p型硅晶圆（1×1 cm2）作为衬底，使用异丙醇、丙酮和去离子水依次进行超声清洗。随后进行稀HF处理以去除自然氧化层，确保表面纯净。清洗后的硅衬底立即转移到溅射腔中，腔体被抽至3×10??帕（3×10?? Pa）的基压
结果与讨论
通过XRD测量分析了沉积薄膜的晶体结构。图1(a)展示了以0.5°掠角拍摄的溅射沉积WS?/Si异质结构的X射线衍射（XRD）图样，证实形成了结晶的WS?相。在14°、33.2°、39°、42.8°、49.1°和59.9°处观察到的衍射峰对应的晶面分别为（0 0 2）、（1 0 1）、（1 0 3）、（0 0 6）、（1 0 5）和（1 1 2）晶面，对应的d间距分别为6.32、2.69、2.31、2.11和1.85、1.54埃（?）
结论
本研究展示了一种基于溅射生长n-WS?/p-Si异质结的高性能宽带光电探测器，即使在零偏压下也能高效工作。磁控溅射技术能够在硅衬底上直接生长出均匀、化学计量的WS?层，消除了与转移相关的缺陷并确保了清洁的界面。结构和化学分析证实了高质量结晶WS?的形成，具有明确的晶格特征和最小的氧化程度。
作者贡献声明
曼普里特·考尔（Manpreet Kaur）：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、软件开发、数据分析、概念化。阿比吉特·丹达（Abhijeet Dhanda）：可视化、方法论设计、数据分析。普里扬克·特里帕蒂（Priyank Tripathi）：可视化、验证、数据分析。苏迪尔·胡萨莱（Sudhir Husale）：撰写 – 审稿与编辑、验证、软件开发、资源协调、数据分析。普里塔姆·辛格（Preetam Singh）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源协调
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国防研究与发展组织（Defence Research and Development Organization，DRDO）在EP & IPR 2025项目（项目编号：ERIP/ER/202311006/M/01/1852）下的财政支持。同时感谢印度科学技术部（Department of Science and Technology，DST）的科学与工程研究委员会（Science and Engineering Research Board，SERB）提供的财政援助（项目编号：CRG/2020/005265）。达文德·考尔（Davinder Kaur）对印度Shastri Indo-Canadian Institute提供的SMP奖学金表示衷心感谢。
