100%器件成品率！台式无掩膜光刻机助力大面积MoTe2/Si高速光电探测器设计新思路
发布日期：2024-10-11
文章名称：A High-Speed Image Sensor Based on Large-Area MoTe2/Si Photodiode Arrays
期刊名称：Advanced Optical Materials IF：8.0
DOI: https://doi.org/10.1002/adom.202400547
【引言】
在宽带光电探测器的研究领域中，科研人员致力于解决将二维材料（例如二硒化钼（MoTe2））直接生长于三维硅基板上的技术难题。此项技术的目标在于解决2D-3D异质结整合时所遇到的多重障碍，包括晶格不匹配、界面状态以及材料相容性等课题。过往通过转移技术应用2D材料，虽可保留其固有性质，但此法在扩展性和工艺整合方面常显不足。通过研发直接外延生长的方法，研究人员期望达成高效且成本效益高的宽带光电探测器阵列。此举不仅促进光电探测器在光通讯、影像技术及环境监测等领域的推广，还与现行的硅基集成电路生产流程完美兼容。然而，要实现此技术，需克服均质性、晶体品质以及光电转换效率等核心技术难点，这为材料科学及半导体制造工艺带来了新的挑战与要求。
近日，复旦大学相关课题组利用小型台式无掩膜直写光刻系统-MicroWriter ML3成功解决了在硅基板上直接外延生长MoTe2薄膜的挑战，通过创新的固态相变和重结晶过程，成功制造了高质量的2H-MoTe2/Si 2D-3D异质结光电二极管阵列，实现了100%的器件成品率。其成就包括：光电二极管展示了快速的光响应、高灵敏度和出色的探测能力，并通过使用卡通“兔子”影像掩模板证明了其在可见光和近红外光下的成像性能。这项工作为将2D材料与现有硅基技术整合提供了一条新颖且成本效益高的途径。相关研究成果以《A High-Speed Image Sensor Based on Large-Area MoTe2/Si Photodiode Arrays》为题，发表于SCI期刊《Advanced Optical Materials》上。
文中采用的小型台式无掩膜直写光刻系统-MicroWriter ML3无需掩膜板，可以在非传统基底上迅速实现高精度的光刻任务，能够满足科研中对光刻和套刻的不同需求，为各类研究中微纳器件的优化和迭代提供了保障，助力并加快了相关领域的研究进度。
小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3
【图文导读】
图1. 硅基底上2H-MoTe2薄膜材料的特性表征。a) MoTe2的拉曼光谱，其中也有硅的拉曼峰。b) MoTe2的XPS光谱，显示了Te3d（蓝色）和Mo3d（红色）峰。c) 所制备的MoTe2/Si异质结的AFM表征结果。d) 2H-MoTe2薄膜横截面的TEM图像。e) MoTe2/Si光电二极管制造过程的示意图。
图2. 光电子传输机制与I-V曲线表征。a)在无光照条件下，MoTe2/Si光电二极管阵列的I-V特性。橙色和蓝色曲线分别对应对数坐标和线性坐标。插图：2H-MoTe2/Si光电二极管的结构图。b)在32 × 32光探测器阵列中随机选取的64个探测器， Vbias从-1.5到-0.5V的范围内的I-V曲线。c)在无光照条件下，不同电压下对应的电阻的变化。d)在无光照条件和900 nm波长光源的光照下MoTe2/Si光电二极管的I-V特性图。e)2H-MoTe2/Si异质结的能带图(i)平衡态，(ii)无光照条件下的反向偏压，以及(iii)在光照下的反向偏压。
图3. MoTe2/Si 2D-3D异质结光电二极管的光电子特性。a) MoTe2/Si光电二极管在黑暗中和在不同照明波长（从300 nm到1200 nm，步长为100 nm）下的I-V特性曲线。b) I-V特性曲线以对数坐标表示。c) 在900 nm波长光源光照下，MoTe2/Si光电二极管在不同照明强度的I-V特性曲线变化。d) 以对数坐标下的I-V特性曲线。e,f)在不同光照波长和强度下的响应度(R)和探测率(D*)值的变化。
图4. MoTe2/Si光电二极管的光电电流响应特性。a)和b)不同波长和光照强度下，器件的电流响应特性。c,d)高速光脉冲条件下的电流响应特性。e)电流上升和下降过程的示意图。f)刚制备的MoTe2/Si光电探测器的相应电流与存储6个月后的器件的性能的比较结果。
图5. 视觉图像传感系统和光电探测器阵列。a)用于光电探测器阵列的成像测量系统示意图。b)使用图像传感器通过光学模板投影进行图像捕捉的示意图解。c) 制备的32 × 32像素图像传感器的光学显微图像及其放大图。d)像素阵列对不同波长光的响应结果，(i) 红光（650 nm）、绿光（550 nm）、蓝光（450 nm），(ii) 900 nm近红外光，和(iii) 1100 nm近红外光。
【结论】
综上所述，复旦大学相关课题组成功研制了一种创新的MoTe2/Si 2D-3D异质结，致力于高速宽带光电二极管的应用，并对其光响应特性进行了全面研究。实验结果表明，该光电二极管具有卓越的性能，具体表现为521.1 mA/W的响应度，1.17 × 1011 Jones的探测率，响应时间小于4 ms，光响应波长范围为300至1100 nm。我们还证实了MoTe2/Si光电二极管阵列的高度均匀性和100%的有效像素率。该设备的高性能主要归功于高纯度的2H-MoTe2单晶材料以及与硅基板之间界面缺陷的显著减少。通过采用非对称电极设计，成功增强了异质结内部的电场效应。此外，本研究构建了成像系统，并成功获取了32 × 32像素阵列的清晰光响应图像。这项研究为2D-3D异质结构在高速宽带光检测器应用中开辟了新的技术路径。
