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导言
二维过渡金属二硫化物（TMDs）由于其表面无悬垂键、可调节的带隙和高载流子迁移率等特性，在光电器件领域具有巨大潜力。其中，二硒化铂（PtSe2）被认为是制备高性能红外光电探测器的理想材料之一。其层间可调带隙范围为0-1.2 eV，可通过改变薄膜厚度实现从半导体到半金属的转变，吸收光谱覆盖可见光到中红外波段。然而，目前报道的大多数2D-3D结合的器件均为p-n异质结器件，采用轻掺杂或重掺杂的n型衬底，这既作为光吸收层，又作为载流子传输层，影响了载流子在n型体材料中的有效传输。同时，二维材料与轻掺杂或重掺杂的n型衬底的接触界面存在较多缺陷，导致光生载流子在界面分离时存在严重复合损失，使得光电流与光功率之间的拟合值θ无法达到理想状态。光电探测器的结构设计和界面优化是实现高稳定性、接近理想状态以及宽光谱红外探测的关键问题。
相关成果以“基于Si/SOI晶圆键合剥离的高质量超纯本征硅薄膜的稳定自供电宽带PtSe2/Si Pin 红外光电探测器"为题发表。希望该研究能为您的科学研究或工业生产带来一些灵感和启发。
正文
二维过渡金属二硫化物（TMDs）因其表面无悬垂键、可调带隙和高载流子迁移率等特性，在光电器件领域备受关注。PtSe2 作为一种*具前景的 TMDs 材料，其带隙可通过改变薄膜厚度在 0-1.2 eV 范围内调节，覆盖从可见光到中红外谱区的吸收范围。此外，PtSe2 具有高载流子迁移率和化学稳定性，有助于实现快速响应时间和良好的空气稳定性。
过去五年中，研究人员致力于开发集成 PtSe2 与块体材料的 p-n 异质结光电探测器。例如，2021 年 Lu 等人在锗（Ge）基底上构建了多层 PtSe2/Ge 异质结光电探测器阵列；2022 年 Ye 等人通过引入约 3 nm 厚的 SiO2 绝缘层，制备了与 CMOS 兼容的 PtSe2/超薄 SiO2/Si 自驱动光电探测器；2023 年 Li 等人实现了二维 PtSe2 薄膜在钝化 Ge 基底上的垂直生长，构建了 PtSe2/Ge 肖特基结光电探测器；2024 年 Wang 等人通过在铟磷（InP）晶片上垂直堆叠二维 PtSe2 薄膜，开发出自供电近红外肖特基结光电探测器。然而，这些 2D-3D 结合器件均为 p-n 异质结，且所用衬底为轻掺杂或重掺杂 n 型衬底，存在诸多缺陷，影响了载流子的有效传输，并导致光生载流子在界面分离时的复合损失严重，θ 值未能达到理想状态。
鉴于此，本研究采用疏水键合技术实现无气泡、高强度、无氧化层的 n+-Si/SOI 晶片键合，剥离出高质量超纯 i-Si 层，制备出新型 p-PtSe2/i-Si/n+-Si pin 光电探测器。该器件在室温下实现了从 532 到 2200 nm 的宽谱探测，整流比高达 2.1×10?，θ 值在 3.5 mW 光功率范围内达到理想状态的 1，响应度（R）和比探测率（D*）几乎不依赖于功率，分别为 46.5 mA/W 和 1.94×1011 Jones，显示出优异的稳定性，理想因子（n）低至 1.2，接近理想状态，激活能约为 0.52 eV，接近 Si 带隙的一半，表明器件中的载流子传输为复合机制。这项工作首*将晶片键合与二维材料转移相结合，构建范德华异质结，为 2D-3D 硅基 pin 光电探测器的制造提供了新方法。
结果与讨论
器件制备与结构表征
研究团队采用疏水键合技术制备 i-Si/n+-Si 衬底。通过 RCA 方法对 SOI 晶片和 n+-Si 晶片进行清洗，然后浸泡在稀释的 HF 溶液中获得疏水表面，将两者键合在一起，并在高温管式炉中退火以实现高强度键合。通过机械研磨和化学腐蚀方法剥离出高质量超纯 i-Si 顶层，形成 i-Si/n+-Si 结构。接着，采用热辅助转换法（TAC）制备 PtSe2 薄膜，将其转移至疏水键合的 i-Si/n+-Si 衬底上，完成 p-PtSe2/i-Si/n+-Si pin 光电探测器的制备。
图1 （a）PtSe?薄膜的拉曼光谱。（b）沉积于SiO?/Si基底上的PtSe?薄膜的X射线衍射（XRD）图谱。（c，d）PtSe?薄膜的X射线光电子能谱（XPS），分别为Pt 4f和Se 3d谱图。（e）PtSe?薄膜的原子力显微镜（AFM）图像。（f）PtSe?的透射电子显微镜（TEM）图像。（g）覆盖PtSe?薄膜的3英寸SiO?/Si基底的照片。（h）拉曼光谱中Y轴数据彩色映射的三维瀑布图。（i）3英寸硒化物样品的A?g/Eg峰面积与半高宽（FWHM）关系图。
材料结构与晶体质量分析
研究团队使用拉曼光谱仪（ZOLIX, RTS-mini）、X 射线衍射仪（XRD Rigaku Ultima IV）、扫描声学显微镜（CSAM, UESTAR, AM-300）等设备对 PtSe2 薄膜及器件的结构特性、晶体质量、键合界面气泡状况及键合面积等进行了全面表征。结果表明，所制备的 PtSe2 薄膜具有高结晶度和单向取向，XPS 分析进一步确认了 Pt 和 Se 原子的化学成分和结合能，SEM 和 AFM 测试显示 PtSe2 薄膜具有大面积均匀性和高质量的表面形貌。
光电性能测试与分析
研究还对比了线性PEI（PEIL）、支化PEI（PEIB）和乙氧基化PEI（PEIE）的钝化效果。结果表明，PEIE在溶液加工性和界面钝化效果上具有最佳平衡。支化PEI虽然也能提升Voc，但对Jsc的影响较大；而线性PEI则对Voc提升有限。
图2 （a）器件结构示意图。（b）不同温度下的I?V特性曲线.（c）活化能.（d）理想因子。（e?i）532至2200纳米的光响应。
本文中使用的拉曼探测系统是卓立汉光公司的RTS-mini 经济型光纤共焦拉曼系统。拥有Plug-in 特点的RTS-mini 共聚焦拉曼显微系统，可跟多种显微镜和光谱仪联用，提供*佳的灵敏度和空间分辨率。除了在现有的显微镜上升级共聚焦系统外，通过灵活地配置光谱仪和探测器，可以打造出针对客户应用的专属系统配置。广泛用于各类工业应用，如质检，安检，刑侦，生物医疗，制药等需要高拉曼灵敏度的应用领域，并且由于可提供免费的软件开发包，并且提供Micromanager 接口，使得系统的后续开发及联用工作可以轻松展开。
本文中使用的光电测试系统是卓立汉光公司的DSR300微纳器件光谱响应度测试系统。DSR300微纳器件光谱响应度测试系统是一款专用于低微材料光电测试的系统。其功能全面，提供多种重要参数测试。系统集成高精度光谱扫描，光电流扫描以及光响应速率测试。40μm探测光斑，实现百微米级探测器的绝对光谱祥响应度测量。超高稳定性光源支持长时间的连续测试，丰富的光源选择以及多层光学光路设计可扩展多路光源，例如超连续白光激光器，皮秒脉冲激光器，半导体激光器，卤素灯，氙灯等，满足不同探测器测试功能的要求，是微纳器件研究的优选。
响应速度与稳定性测试
研究团队还对器件的响应速度和稳定性进行了测试。在 -2 V 偏压下，器件在 1000 Hz 光照频率下的响应曲线显示出较为稳定的光电响应，上升时间和下降时间分别为约 70 μs 和 290 μs。经过 1700 次重复刺激后，器件仍保持一致的光响应，光电流衰减极小，证明了器件具有良好的稳定性和可重复性。
图3（a）能带结构图。（b）时域光响应特性。（c）开路电压与短路电流。（d）0 V和?2 V下的噪声电流。（e）0 V和（f）?2 V下响应度与比探测度随入射光功率的变化关系。（g）器件的线性动态范围（LDR）。（h）光电流与光功率的拟合曲线。（i）本文与其它文献中拟合参数的对比。
结论
本研究通过结合传统晶片键合技术和二维材料薄膜转移技术，成功制备了 p-PtSe2/i-Si/n+-Si pin 光电探测器。该器件展现出优异的光电性能和稳定性，包括高整流比、低理想因子、宽谱响应以及理想的 θ 值等。与常规 2D-3D p-n 异质结相比，高质量 i-Si 层的引入增强了 p-PtSe2 与 Si 的粘附性，减少了界面缺陷复合，提高了器件稳定性。这一成果为未来高性能 2D-3D 光电探测器的发展提供了新的理论见解和实验基础。
通讯作者及其团队介绍
柯少颖，闽南师范大学物理与信息工程学院副教授，福建省光场操纵与系统集成应用重点实验室成员。长期致力于低维材料光电器件领域的研究，主持和参与多项国家自然科学基金、福建省自然科学基金等项目，在 ACS Applied Materials & Interfaces 等期刊发表多篇高水平论文，为推动低维材料在光电器件领域的应用做出了重要贡献。
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本研究采用的是北京卓立汉光仪器有限公司RTS-mini 经济型光纤共焦拉曼系统以及DSR300微纳器件光谱响应度测试系统。如需了解相关产品，欢迎咨询。
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