《Surfaces and Interfaces》：Nearly 4 in. Single-Oriented WSe2 Films on Si via In Situ Selenization for Self-Powered, Ultrabroadband Photodetection
编辑推荐：
杨美华|葛永康|柯少秋|方金红|钟子渊|柯少颖|周金荣|刘观洲|黄志伟福建省光场操控与系统集成应用重点实验室，闽南师范大学物理与信息工程学院，中国漳州363000摘要将晶圆级均匀的二维硫化物（TMDCs）与硅（Si）技术相结合仍是先进光电子学的一个关键挑战。本文报道了一种原位硒化
杨美华|葛永康|柯少秋|方金红|钟子渊|柯少颖|周金荣|刘观洲|黄志伟
福建省光场操控与系统集成应用重点实验室，闽南师范大学物理与信息工程学院，中国漳州363000
摘要
将晶圆级均匀的二维硫化物（TMDCs）与硅（Si）技术相结合仍是先进光电子学的一个关键挑战。本文报道了一种原位硒化技术，用于制造近乎4英寸晶圆尺寸、单方向排列且高度均匀的WSe?薄膜，并构建了一种混合维度的ITO/WSe?/Al?O?/n-Si异质结光电探测器。通过在界面引入超薄（约1纳米）的Al?O?隧道层，暗电流被抑制了三个数量级以上。优化后的异质结表现出出色的性能指标，包括0伏下的超低暗电流（2.07×10?1? A）、高比探测率（1.86×1012 Jones）以及快速的微秒级响应时间（2/4 μs）。更重要的是，该器件在短波红外（SWIR）区域实现了自供电宽带检测，波长可达2200纳米，超越了Si和WSe?的本征带隙限制。这种室温下自供电的运行方式为高性能红外成像和光通信系统提供了有希望的途径。
引言
光电子学的发展需要从可见光到SWIR的宽带光谱覆盖范围的光电探测器，这对于光通信和先进成像系统等应用至关重要。然而，作为现代电子学的基础材料，Si的本征带隙（约1.12 eV）限制了其在1100纳米以下波长的有效光检测能力，从而排除了1550纳米通信带和更宽广的SWIR区域[[1], [2], [3], [4]]。为了解决Si在红外光检测中的固有局限性，可调带隙的TMDCs已成为理想的补充材料平台。在各种TMDCs中，WSe?尤其具有前景。尽管WSe?的本征带隙（单层约为1.65 eV，块状约为1.2 eV）通常限制了其在关键1550纳米通信带以下的光吸收，但研究表明，通过缺陷工程（如可控引入硒空位）可以在其能带结构中创建缺陷态或中间能级，从而有效扩展其光响应至近红外甚至SWIR区域[5]。此外，WSe?表面的无悬挂键特性使其能够通过范德华相互作用与Si高质量集成，有效规避晶格失配问题，为构建高性能混合维异质结构提供了有效途径。
尽管前景广阔，但WSe?与Si的实际集成仍面临两大挑战。首先，可控合成晶圆级、均匀且单方向排列的高质量WSe?薄膜仍是实现可扩展制造的关键瓶颈[6,7]。其次，精确调节和优化异质结界面性质至关重要，因为界面缺陷或污染会显著降低器件性能，增加暗电流并影响光载流子提取[8,9]。解决这些问题对于充分发挥WSe?/Si异质结在高性能宽带光检测方面的潜力至关重要。
为克服这些限制，我们提出了一种结合材料合成创新与复杂界面工程的策略。本文报道了一种原位硒化技术，可用于制备近乎4英寸晶圆尺寸、单方向排列且高度均匀的WSe?薄膜。此外，我们还构建了一种混合维度的ITO/WSe?/Al?O?/n-Si异质结光电探测器。一个关键创新点是引入了超薄（约1纳米）的Al?O?界面隧道层，与未加该层的器件相比，该层显著抑制了暗电流三个数量级以上。值得注意的是，所得器件实现了从300纳米到2200纳米的自供电超宽带检测，有效克服了Si和WSe?的带隙限制。
优化后的光电探测器展现了一系列高性能特性，包括极低的暗电流、高比探测率和微秒级快速响应时间。特别是在SWIR区域，该器件在宽广的光谱范围内实现了自供电操作，有效克服了Si和WSe?的带隙限制，显示出其在室温光通信（1550纳米）和SWIR成像以及下一代集成光电子学中的应用潜力。
章节摘录
器件制备
n型Si基底经过标准Radio Corporation of America（RCA）清洗程序预处理，彻底去除了有机残留物和金属污染物，确保后续薄膜生长时界面清洁。器件制备的工艺流程如图S1所示。清洗后，样品被放置在原子层沉积（ALD）系统中，在150°C下以0.167的沉积速率生长了约0.5-2纳米厚的Al?O?薄膜。
结果与讨论
系统评估了WSe?薄膜的晶体结构、表面形貌、光学性质和元素组成。如图1a所示，首先基于WSe?薄膜制备了一个场效应晶体管（FET）。转移特性曲线（图1b）显示，当栅压向负方向扫描时，源-漏电流单调增加，清楚地表明制备的WSe?薄膜具有典型的p型半导体行为[10,11]
结论
本研究展示了一种可扩展的原位硒化工艺，用于在近乎4英寸的晶圆上制备WSe?薄膜，实现了二维材料的大面积集成，具有高单方向性和出色的均匀性。利用这一平台，我们构建了一种WSe?/Si混合维度的范德华异质结光电探测器。通过引入超薄（约1纳米）的Al?O?界面隧道层，暗电流被抑制了三个数量级以上。
资金来源
中国国家自然科学基金（62574103, 62004087）。福建省自然科学基金（2023J05186）。闽江教育领军人才项目（KJ2025002）。
CRediT作者贡献声明
杨美华：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，方法论，数据整理，概念化。葛永康：验证，研究，数据整理。柯少秋：形式分析。方金红：验证，研究。钟子渊：验证，研究。柯少颖：方法论。周金荣：方法论。刘观洲：方法论。黄志伟：撰写——审稿与编辑，项目管理，方法论，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
中国国家自然科学基金（62574103, 62004087）。福建省自然科学基金（2023J05186）。闽江教育领军人才项目（KJ2025002）。
