基于二维WSe2_MoS2异质结光电探测器的性能研究.pdf

摘要

近年来，基于低维半导体材料的光电探测器趋于集成化和小型化，推动了芯片行业

在光通信、信号处理、传感系统和测量系统等领域的发展。传统硅基芯片在摩尔定律的

指引下，通过优化硅基制造工艺或减小晶体管关键结构特征尺寸来提高集成度。然而，

由于量子限制效应和界面效应，硅基器件的微缩化已接近极限。二维半导体具有优异性

能，故有望取代硅成为延续摩尔定律的新沟道材料，在未来大规模集成探测器中拥有巨

大潜力。在半导体异质结构中，II型异质结有利于光生电子空穴对的有效分离，抑制复

合损耗，从而使光电探测器实现快速响应。因此，二维半导体异质结在光电探测器方面

的应用具有重要意义。通过构建WSe/MoS异质结，利用基于密度泛函理论的第一性原

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理方法对异质结的电子结构进行了研究，计算发现其具有II型能带对齐，能够实现高性

能的光电探测器。本文工作主要内容如下：

（1）设计了具有非对称电极的II型WSe/MoS范德华异质结（vdWHs）。利用密

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度泛函理论探究了MoS、WSe和WSe/MoS异质结构的基本电子性质。WSe/MoS

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vdWHs呈现出II型能带对齐，适用于光电探测器的构筑。为了进一步提高WSe/MoS

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异质结光电探测器的性能，考虑到两种二维半导体的功函数不同，因此选取具有良好导

电性和高透光性的氧化铟锡（ITO）作为源极与MoS2接触，Au作为漏极与WSe2接触，

制备了具有非对称电极的II型WSe/MoSvdWHs光电探测器。通过研究发现，该结构

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在零偏压下的光开关比达到10，且拥有0.2V的开路电压。本工作通过引入非对称电极

来优化vdWHs的光电性能，为实现高性能光电探测器开阔了思路。

（2）设计了四种基于WSe/MoS的垂直异质结光电探测器，以石墨烯或Au作为

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顶电极和底电极。四种结构分别为结构1：Au/WSe/MoS/Au，结构2：

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Graphene/WSe/MoS/Graphene，结构3：Au/WSe/MoS/Graphene，结构4：

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Graphene/WSe/MoS/Au。经过对比发现结构3和4性能较为优异，故搭建了器件A：

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Au/WSe/MoS/Graphene和器件B：Graphene/WSe/MoS/Au对该结构做进一步研究。

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实验结果证实，器件A拥有良好的自驱动光电探测性能，呈现出0.57V的高开路电压，

86.1mA·cm-2的高短路电流密度和高达14.8%的功率转换效率（PCE），并且具有

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1.82A·W的响应度，5.11×10Jones的探测率，23μs的响应时间以及10的高开关比。

此外，器件B具有从405nm到1550nm的宽光谱响应，响应时间达到25μs，开路电压

为0.