基于WSe2/GaAs的异质结光电探测器的研究

李明，陈博瀚，何秀冬，方昶月

（合肥工业大学物理学院，安徽合肥，230009）

0 引言

由于其优异的光电性能，二维TMD 材料在光电子器件领域具有重要的应用价值。[1][2]其中WSe2半导体层中原子通过共价键连接，而相邻的层间通过范德华力弱地结合在一起，光吸收系数高，且迁移率可达350cm2/Vs。[3,4]但目前关于其的研究主要限于光电化学，光伏太阳能电池，干润滑剂，催化剂及氢演化反应，对其光电探测性能的研究很少。本文设计了一种基于二维层状材料WSe2/GaAs 异质结光电探测器，利用WSe2材料的高吸收系数特点，以提高器件的光电转化效率。该器件具有自驱动性能，零偏压下开关比可达16.6×104，同时性能稳定，响应速度为毫秒量级。

1 器件制备及表征

首先把n 型轻掺SiO2/Si (电阻率1-10 Ω·cm，厚度500 μm)作为衬底，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声清洗15 分钟。之后用氮气吹干并与W 靶材(99.99%)一起放入磁控溅射设备中溅射W 薄膜。靶材与基材之间的距离为5cm，靶直径为60mm，厚度为5mm。溅射室中的真空被抽至4.1×10-4Pa。然后在1Pa 的工作气压下以70W 的溅射功率将钨靶预溅射5 分钟再进行溅射。溅射气氛仅为氩气（Ar2，99.99%），并且Ar2流量定为30sccm。

硒化具体过程为：将有蒸镀W 薄膜SiO2/Si 的衬底放置在 CVD 管式炉的中心区域；称取定量的硒粉（99.99%）放置在管式炉上游。在向炉内充入保护蒸汽（Ar299.999%）之前，将其真空抽至1.0Pa。重复该过程三次，以除去真空系统中的残留氧气。最后，通入氩气，直到蒸气压达到平衡。将管式炉升温至600°C，然后在这个温度保持30 分钟。同时硒粉蒸发产生Se 蒸汽，在氩气中传输至W 膜与之反应；反应结束后在有流动的氩气氛围的环境中自然降温。最后在衬底上得到了较纯的WSe2薄膜。

GaAs 衬底的清洗方法与SiO2/Si 衬底相同。然后将清洗后的GaAs 衬底放入电子束沉积室中，并在其未抛光面沉积30nm Au 金属层作为底部接触电极。之后再旋涂一层薄PDMS在GaAs 衬底的抛光面作为绝缘层，并在加热固化后的PDMS层上刻出一方形小孔，以便后续把WSe2薄膜转移到上面。在硒化后的WSe2薄膜上面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），然后将其浸入NaOH 溶液中去除底层的SiO2/Si，并用去离子水冲洗以去除残留刻蚀液。接下来，将捞起的WSe2薄膜转移到目标衬底上，并加热基板以将WSe2/PMMA 紧密地黏合到基板上。最后，在用丙酮除去PMMA 之后，将一层多层石墨烯转移到WSe2层上，并在石墨烯上面用银浆做顶电极。

通过场发射扫描电子显微镜（SEM）对WSe2薄膜的形貌和成分进行了表征和分析，同时通过X 射线衍射仪和显微共焦激光拉曼光谱仪对WSe2薄膜的成分进行了相关研究。此外，采用2400 半导体参数测试系统（Keithley DZS-500）对所构建器件的电学性能进行了相关测试。

2 结果与讨论

图1(a)给出了硒化WSe2薄膜的扫描电子显微镜SEM 图像，可以发现WSe2的表面平整且连续。WSe2的化学成分通过能量色散X 射线能谱（EDS）得以证实，其中W：Se 的原子比大约确定为1：1.6，如图1(b)所示。由于衬底是有300 nm SiO2的n-Si 衬底，所以EDS 能谱中含有Si 与O 的元素，其中金元素来源于扫描电镜制样喷金过程。

图1 （a）WSe2 薄膜的SEM 图与（b）EDS 图谱

图2a 给出了WSe2薄膜的X 射线衍射（XRD）图谱。经过与标准卡片库对比可知，获得的主峰都与WSe2（编号38-1388）卡片上的主要峰位相对应。且 WSe2薄膜显示出明显的（002）优先取向，样品中没有明显的杂质峰，表明具有高度c 轴取向和单晶性质的WSe2薄膜已经合成。图2b 显示了WSe2薄膜的拉曼光谱，在～250 和～258cm-1处分别出现了两个明显的衍射峰，确认了这两个强峰值来自WSe2中的E2g和A1g晶格振动模式。[5]数据表明我们合成出了纯净的WSe2薄膜，保证了后续电学测试数据的可靠性。

图2 （a）WSe2 薄膜的X 射线衍射图谱与（b）拉曼光谱

光电探测器的结构主要由WSe2薄膜膜和n 型GaAs 衬底构成，光照下的器件结构示意如图3a 所示。接下来用半导体参数分析仪在室温下对器件进行了测试。图3b 显示了在黑暗中测量的WSe2/GaAs 异质结器件的电流-电压（I-V）曲线（插图为对数坐标下的I-V 特性曲线），可以看出WSe2薄膜与GaAs 衬底形成了良好的PN 结。同时，在±2V 偏压下器件表现出～7.5 的明显整流效应。其整流比较低的原因是由于薄膜缺陷较多而引起的漏电流过大造成的。这样的整流特性应来自WSe2/GaAs 界面。[6]

图3 （a）光照下的WSe2/GaAs 异质结器件结构示意图（b）暗场下器件的I-V 特性曲线

此外，WSe2/GaAs 异质结器件在光照下还具有一定的光伏效应，如图4a 为WSe2/GaAs 异质结器件在暗场下和波长为808nm（强度为0.5mW/cm2）光照下的I-V 特性曲线，可以看出器件在此照射条件下表现出明显的光伏效应，其开路电压为0.22V，短路电流为0.95μA。器件的光电行为可以用图4b 中的能带图来解释。当P 型的WSe2与N 型GaAs 接触并达到热平衡的时候，由于功函数的不同会造成能带弯曲从而形成内建电场。此时给器件加上能量大于带隙且波长合适的光照，在结区中会产生光生电子-空穴对并在内建电场的作用下迅速分离，之后会同时朝相反的方向运动从而形成光电流。

图4 （a）器件在黑暗条件下与在波长为808nm（0.5mW/cm2）光照下的I-V 特性曲线 (b) WSe2/GaAs 能带图

图5a 显示了WSe2/GaAs 异质结器件在波长为808nm光照下的I-T 特性，其光强的强度范围为0.08mW/cm2至140.9mW/cm2。可以发现，光电流随着入射光强度的增加而逐渐增加，这是由于在较高强度的光照下激发的电荷载流子的数量增加了。图5b 给出了在波长为808nm、不同光强照射下的I-V 特性曲线，也观察到了类似的现象，异质结器件的光伏行为也高度依赖于入射光强度。

图5 （a）WSe2/GaAs 异质结器件在0V 偏压下、波长为808nm 光强度不同的I-T 与（b）I-V 曲线

图6a 给出了WSe2/GaAs 异质结器件在波长为808nm、强度为0.3mWcm-2光照下的I-T 特性曲线。显然，异质结在光照下产生了明显的光生电流。开关比稳定且可重复，为2.8×103。实际上，施加在异质结器件上的偏压也会影响光电流。图6b 为该器件在不同偏压下的电流时间曲线，可以看出器件的光电流随着所加偏压的增大而增大。随着偏压从-0.05V 增加到-1V，器件的光电流6.3×10-4增加到1.72μA。这是因为随着反向偏压的增加，器件的耗尽区会被拓宽，从而能分离光生电子-空穴对的能力也会增强，导致更大的电流。

图6 （a）器件在波长为808nm 光照（0.3mW/cm2）下的光响应 (b) WSe2 /n-GaAs 器件在808nm 照明（0.3mW/cm2）下的不同偏压下的光响应

进一步的器件性能分析发现，器件的光暗电流比值（Ilight/Idark）随着入射光强的增加而增加。具体来说，当光强高达121mW cm-2时，它可以达到16.6×104，如图7a 所示。本器件的线性度（θ=0.4）偏离1 的原因可以归因于由WSe2膜中的缺陷引起的陷阱态。[7]随着光强度的增加，被光激发的电荷载流子将被填充到缺陷中，从而导致光电流饱和，这也是光电流线条变平缓的原因。为了获取WSe2/n-GaAs 器件的响应速度，图7b 中给出了5kHz 频率下的单个放大周期，其中估算了上升时间（tr）和下降时间（tf）分别约为0.019ms 和0.086ms。这种相对较快的响应速度原因是由于可以快速分离电子-空穴对的WSe2/n-GaAs 接触界面造成的。

图7 （a）不同光强度下开关比与光强度与光电流之间的关系（b）5kHz 频率的单一放大光响应时间曲线

为了测试WSe2/GaAs 异质结光电器件的稳定性，我们对其进行了重复性测试（如图8 所示）。对器件进行了100 次的循环操作后，通过对比初始值和后期值，发现没有明显的变化。因此，我们的WSe2/GaAs 异质结器件具有优秀的可重复性。

图8 对器件进行100 个周期的测试

3 结论

通过磁控溅射和CVD 硒化的方法制备了高纯的WSe2薄膜，并对薄膜形貌和成分进行了表征，之后通过湿法转移的方法构建了WSe2/GaAs 异质结光电探测器。该器件在波长为808nm 的光照下具有16.6×104的大开关比，并且拥有较快的响应速度，可在保持稳定性的前提下长时间工作。本研究证实了WSe2应用于光电探测器的可行性，对以后其他二维材料应用于光电子器件的研究具有一定的指导意义。