近期，依托“光探測(cè)材料與器件”上海高水平地方高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)及上海市光探測(cè)材料與器件工程技術(shù)研究中心等高水平平臺(tái)，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資助下， 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院房永征、劉玉峰教授團(tuán)隊(duì)與國(guó)科大杭州高等研究院及美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）等國(guó)內(nèi)外單位合作，在二維半導(dǎo)體材料異質(zhì)外延方面取得重要進(jìn)展。

隨著我國(guó)在高性能探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用需求的持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)新型光探測(cè)材料提出了更高要求。作為光電探測(cè)技術(shù)最核心材料之一，異質(zhì)外延半導(dǎo)體材料因其優(yōu)異的光電性能展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，受晶格匹配限制，這些材料在單一襯底上的異質(zhì)外延往往面臨較高的晶格應(yīng)變，導(dǎo)致界面質(zhì)量下降，晶體缺陷增加，面臨諸多“卡脖子”技術(shù)。同時(shí)，昂貴的半導(dǎo)體設(shè)備及復(fù)雜的半導(dǎo)體工藝技術(shù)限制了其廣泛應(yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)通過“面內(nèi)自適應(yīng)異質(zhì)外延”策略，成功實(shí)現(xiàn)了二維半導(dǎo)體單晶材料在c面藍(lán)寶石襯底上的高取向外延生長(zhǎng)。該方法通過晶體取向的30°旋轉(zhuǎn)，有效調(diào)控壓應(yīng)力與拉應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的可容忍性，使不同晶格常數(shù)的異質(zhì)外延單晶與藍(lán)寶石襯底之間形成可控的界面應(yīng)變。更重要的是，基于該異質(zhì)外延材料的光探測(cè)器件較非外延器件展現(xiàn)出更優(yōu)異的光探測(cè)性能。

圖1 半導(dǎo)體單晶在異質(zhì)外延生長(zhǎng)過程中的取向關(guān)系、界面應(yīng)變和 晶格匹配情況

圖2 基于外延半導(dǎo)體單晶構(gòu)建的光電探測(cè)器性能顯著提升

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于在c面藍(lán)寶石襯底上異質(zhì)外延生長(zhǎng)的異質(zhì)外延單晶構(gòu)建的光電探測(cè)器在450 nm波長(zhǎng)的激光照射下，響應(yīng)時(shí)間為367.8 μs，探測(cè)率達(dá)到3.7×10¹² Jones，線性動(dòng)態(tài)范圍(LDR)高達(dá)113 dB，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)玻璃襯底器件。此外，該光電探測(cè)器在多次開關(guān)循環(huán)和長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試中保持穩(wěn)定，展現(xiàn)出優(yōu)異的運(yùn)行可靠性和長(zhǎng)的器件壽命，為新型半導(dǎo)體材料異質(zhì)外延生長(zhǎng)及其器件應(yīng)用提供了新的實(shí)驗(yàn)方法和理論支撐。