通过双异质结n-MoS2/p-CuO/n-Si结构实现了具有自偏置特性的可见光-近红外光检测

《Materials Advances》：Self-biased visible-NIR photodetection enabled via a dual-heterojunction n-MoS2/p-CuO/n-Si design

双异质结n-MoS?/p-CuO/Si和p-CuO/n-Si光探测器在零偏压下实现可见光（625 nm）和近红外（720/808 nm）响应，响应度21.04/30.50 mA·W?1，检测度1.0×101?/1.5×101? Jones，3V偏压下性能显著提升。研究通过PLD制备和表征方法验证了自偏置特性及高效载流子分离机制。

　　
本文研究了一种基于双异质结（n-MoS?/p-CuO/Si和p-CuO/n-Si）的自偏置光探测器设计，重点探索了可见光（Vis）与近红外（NIR）波段协同响应机制。通过脉冲激光沉积（PLD）技术结合选择性掩膜工艺，实现了CuO和MoS?的分层异质结构建。该设计巧妙结合了宽禁带半导体材料（CuO）与二维过渡金属硫化物（MoS?）的互补特性，在零偏压条件下同时捕获可见光（625 nm）和近红外光（720 nm、808 nm），展现出独特的自驱动工作模式。

在器件制备方面，采用n型硅片为基底，通过优化PLD工艺参数（激光能量6 J/cm2、沉积温度200°C、氧气环境压力10?3 mbar）成功制备出高结晶度的CuO和MoS?薄膜。XRD分析显示，CuO呈现单斜晶系特征，而MoS?多层结构（2H相）的晶格参数与标准卡片（JCPDS 37-1492）吻合。表面形貌观察表明，CuO薄膜存在明显的颗粒状分布（平均粒径约50微米），而MoS?层表面更光滑连续，这与其层状结构和范德华力作用密切相关。

光响应特性测试发现，器件在零偏压下即可实现双波段响应：n-MoS?/p-CuO/Si异质结在625 nm处响应度达21.04 mA/W，而p-CuO/n-Si结构在720 nm处响应度提升至30.50 mA/W。值得注意的是，当施加3 V正向偏压时，响应度分别优化至0.144 A/W（625 nm）和0.124 A/W（720 nm），同时检测度（D*）提升至1.5×101? Jones，这归因于内建电场增强导致的载流子分离效率提高。时间响应测试显示，器件的响应时间（0.27秒）显著短于恢复时间（0.36秒），表明载流子生成主导了光响应过程。

该设计的核心创新在于利用异质结界面的能带对齐特性实现自偏置效应。CuO（p型）与MoS?（n型）的异质集成形成了独特的能带结构，当光子能量超过禁带宽度时，电子从MoS?导带跃迁至CuO价带，产生内建电场。这种自驱动机制无需外接偏置电源，在零偏压下即可实现高效光生载流子分离，显著降低暗电流（90 nA）并提升光电流信噪比。

性能优化机制主要体现在三方面：首先，MoS?的层状结构增强了光吸收效率，其吸收边位于738 nm附近，与近红外响应波长（808 nm）形成互补；其次，CuO与硅的晶格匹配度（禁带宽度1.91 eV vs. Si 1.12 eV）实现了载流子的高效传输，避免因能带不匹配导致的复合损失；最后，异质界面处的量子限域效应和界面态优化，使光生电子-空穴对的有效收集率提升至25.7%。

器件在光强依赖性测试中表现出显著的非线性特征。当光强从0.48 mW/cm2增至4 mW/cm2时，响应度（Rλ）与光强成反比（R2≈1），而检测度（D*）和光电转换效率（EQE）则保持稳定。这种特性表明器件在强光条件下仍能保持可靠的光电响应，适用于高动态范围环境监测。

时间分辨测试揭示了器件的动态响应特性。n-MoS?/p-CuO/Si异质结在720 nm波长下的响应时间（0.27秒）显著快于恢复时间（0.36秒），这与光生载流子的快速注入和缓慢复合机制相符。通过对比两种异质结的能带对齐关系，发现n-MoS?/p-CuO界面存在更宽的势垒区（约0.8 eV），这有助于抑制载流子复合，提升器件的响应速度。

实验验证部分通过XRD和SEM表征确认了材料的晶体结构和表面形貌。CuO薄膜的颗粒分布均匀性（CV值<15%）和MoS?的层状堆叠结构（002晶面衍射角14.194°）为后续性能优化奠定了材料基础。光电流-暗电流比（Iph/Id）在零偏压下达到1.5×101? Jones，远超传统硅基光探测器水平，这主要归因于异质结界面的自偏置效应和载流子传输路径的优化。

该研究在光探测器领域具有多重突破意义：其一，首次实现双异质结协同工作，将可见光响应范围（625 nm）与近红外响应（720-808 nm）结合，拓展了光谱检测范围；其二，自偏置机制有效解决了传统光探测器需施加高偏压的问题，为无源器件设计提供新思路；其三，响应时间快（<0.5秒）和低功耗特性使其适用于高速光通信和实时环境监测系统。

未来工作可聚焦于三方面改进：首先，通过原子层沉积（ALD）技术优化异质结界面质量，进一步降低复合损耗；其次，引入缺陷工程调控能带结构，提升窄带隙材料的光吸收效率；最后，开发多层异质集成工艺，实现可见-近红外-中红外波段的连续覆盖。这些改进将推动该技术在实际应用中的可靠性，例如在智能安防系统中的多光谱目标识别，或工业环境中的复合污染物监测。

该研究为新型光探测器设计提供了重要参考，其双异质结协同工作模式和自偏置机制可拓展至柔性电子、量子点单光子源等前沿领域。实验数据显示，在零偏压下器件仍能保持较高响应度（21-30 mA/W），且在3 V偏压下性能进一步提升，这种线性可调特性使其在智能电网、自动驾驶等场景中具有广泛应用潜力。