物理与光电工程学院关贺元、卢惠辉教授团队在铌酸锂异质异构集成高性能探测器件领域取得重要进展

发布时间: 2023-11-13 14:39:11 浏览次数 : 206 来源:暨南大学

近日，我校物理与光电工程学院光波导集成技术与器件团队的关贺元教授、杨铁锋副教授、卢惠辉教授团队在铌酸锂高性能探测领域发表系列论文，相关研究成果分别发表在光学工程学科高水平期刊《Laser Photonics & Reviews》和《Science》旗下权威综合期刊《Research》上。其中，题为“Van der Waals Integrated LiNbO3/WS2 for High-Performance UV–Vis–NIR Photodetection”的重要研究成果被编辑选为Front Cover封面文章(图1)。本论文第一作者为2020级光电信息科学与工程专业本科生梁稀捷，通讯作者是关贺元教授、杨铁锋副教授、卢惠辉教授，暨南大学为唯一通讯单位。

图1. Laser Photonics & Reviews封面

铌酸锂(LN)因其高热释电系数、强自发极化、高电光系数、高各向异性和非线性特性，目前被广泛应用于各类光电子器件中，是下一代集成光电子最重要的平台之一，被学术界和产业界认为是“光子领域的硅”。然而，LN的绝缘性和光学透明特性极大地限制了其在光电探测中的应用，阻碍了基于LN的光电集成进展。因此，在铌酸锂平台上实现高效的光电转化，开发高性能的光电传感器件，是一个重要的研究领域。

为此，关贺元教授、卢惠辉教授团队在此前的工作中(Advanced Optical Materials, 2021, 9 (16), 2100245)成功探索了通过与二维材料范德华异质异构集成的策略去解决这一难题，通过将具有狄拉克锥能带结构的石墨烯与铌酸锂进行异质集成，获得了超宽的响应波段(405 nm ~ 2000 nm)以及高光响应度。但是，受到石墨烯零带隙的限制，光生电子和空穴对复合的概率非常大，导致该器件仍然无法获得令人满意的开关比。

为了突破高开光比的响应，该团队设计了LN/WS2的器件架构，WS2具有较高的载流子传输速率、合适的带隙和理化性质足够稳定等优越特性，可以很好地弥补LN绝缘和低光吸收的缺陷，从而能够实现稳定且高效的光电转换。异质集成探测器在0V偏压下的开/关比高达6.24×104，优于目前已报道的基于LN的光电探测器。相关成果以题为“Van der Waals Integrated LiNbO3/WS2 for High-Performance UV–Vis–NIR Photodetection”发表在《Laser Photonics & Reviews》(影响因子11.0)上，并被编辑选为Front Cover封面文章重点报道。

图2. LN/WS2异质集成高性能光电探测器工作机理

此外，该团队还发现铌酸锂由于其各向异性的晶体排列而对偏振光敏感，在与各向同性的二维半导体(如MoS2)进行异质集成后，可以赋予器件偏振敏感特性，拓展了其对偏振光的探测能力。得益于LiNbO3在宽波段内的热释电效应，MoS2带隙对探测范围的限制被打破，从而将探测器的响应带宽拓展到365-1064 nm。另一方面，MoS2的高载流子迁移率使其可以作为LiNbO3衬底的导电沟道，并且MoS2良好的光吸收率增强了器件整体的光与物质相互作用，有效弥补了原始LiNbO3器件低导电性和较大带隙的绝缘体特性。MoS2/LiNbO3异质集成使两种材料的优势得到充分的互补与利用，有助于提高整个异质结器件的综合性能，使器件获得了高的灵敏度(R = 17.3 A W-1，D* = 4.3×1011 Jones，EQE = 4645.78%)，并取得了快速的光响应(≈ 150 μs/250 μs)，器件在自驱动模式下获得高达7.42的偏振敏感探测功能，优于绝大多数的二维半导体光电器件(图3)彰显了MoS2/LiNbO3异质结器件优异的光电探测能力。相关成果以题为“Broadband, Polarization-Sensitive, and Self-Powered High-Performance Photodetection of Hetero-Integrated MoS2 on Lithium Niobate”发表在《Research》(影响因子11.0)上，第一作者为暨南大学何志刚，暨南大学为唯一通讯单位。

图3. LN/MoS2异质集成的偏振光电探测器

将二维半导体与铁电LN进行异质集成，这一思路用于构建高性能光电器件具有巨大的研究和应用潜力，为基于LN平台的高性能光子器提供了一条可行的途径，这标志着基于LN的集成光子系统的重要进展。

以上研究工作得到了国家自然科学基金、国家重大专项、广东省自然科学杰出青年基金、广东省国际合作项目、广州市科技计划等项目大力支持。