III族氮化物极化调控二维结构材料光电特性及偏振探测应用

Construction of new type of semiconductor heterojunctions and the control of optoelectronic properties are the research hotspots in optoelectronic technology field In this project, high-performance polarization-sensitive photodetectors based on ReX2（X：S，Se）2D materials with photo-anisotropic nature will be developed through the coupling control of strong polarization field on the surface of III-nitrides. Firstly, we will disclose the dependence of surficial polarization field on structure, strain, composition and polar surface in III-nitrides by First-principle calculations, and ascertain the effective method to control surficial polarization field. Then, we will design and fabricate the ReX2/III-nitrides heterojunction, and further reveal the mechanism of the influence of substrate structure, atomic stacking, layered or interfacial coupling, especially the surficial polarization field on the photo-anisotropic of ReX2 2D materials. Furthermore, we will explore the fabrication technique of III-nitrides with atomic smooth surface and ReX2 material with large area and high quality, and construct the polarization-sensitive photodetectors. This work is potential to provide new guidance for new-generation optoelectronic devices.

新型半导体异质结构筑及其光电特性调控是半导体光电子技术领域的前沿研究热点。本项目在原有工作基础上，设计和制备二维ReX2（X：S，Se）材料/III族氮化物异质结，利用氮化物强的表面极化场耦合，调控二维材料面内光学各向异性，研制高性能偏振灵敏光电探测器。通过研究III族氮化物结构、应力、组分及极性面与表面极化场的内在关系，探明材料表面极化场的有效调控方式；进而设计并制备ReX2/III族氮化物异质结构，揭示基底结构、原子堆叠、层间或界面耦合，尤其是界面极化场耦合对ReX2二维材料光学各向异性的影响和作用机制；同时探索原子级平整表面III族氮化料和大面积、高质量、堆叠方式可控的ReX2二维材料关键制备技术，以及光电探测器制备工艺，获得具有较高偏振光响应的器件结构参数和工艺，为新一代光电器件制造提供理论和技术支持。

偏振敏感光电探测器由于具有自主性强、不易受外界干扰等优点，在工业自动化、光通信、激光制导等日常生活和军事上有广泛应用，已成为光电子技术领域的研发热点。在项目执行期间，我们开展了结构材料设计与光学特性模拟、二维材料生长、光吸收与光各向异性调控以及探测器研制与性能提升等多个内容研究，取得主要成果如下：（1）通过第一性原理设计方法，揭示了III族氮化物材料与二维过渡金属硫族化合物之间的耦合特性。研究发现，N极性面GaN或AlN表面呈铁磁态，对表面二维材料产生很强的谷极化调控。WS2/N-GaN异质结能谷分裂高达251.2 meV，轨道杂化作用等效于一个高达1569 T的磁场，而WS2/N-GaN异质结最大谷分裂能达296.40 meV。（2）通过技术创新，采用化学气相沉积方法实现了大面积、高质量ReS2、WS2 以及MoS2/ReS2等二维材料生长，其中单层ReS2面积可达1cm*1cm，最大单晶尺寸可达30um*30um，而单层WS2面积可达2英寸的晶圆尺寸，而且可实现MoS2/ReS2垂直或侧向异质结的可控生长。（3）采用金属局域表面等离子体方法实现了二维材料光吸收增强，最大倍数达6倍；同时，通过金属纳米颗粒阵列制备、应力调控等方法增强二维材料的偏振极化特性，深入挖掘出极化调控的内在本质。结果显示，GaSe在拉伸应变作用下，线偏极化率可达66%；而在Ag纳米颗粒阵列的耦合下，极化率提升了15%。（4）设计并制备了ReS2、GaSe、WS2等探测器或探测器阵列；同时我们创新采用应力、基底极化场以及等离体处理等方式提升了探测器性能。例如，通过低功率和短时间氩等离子体处理，可以清除WS2表面的污染，并制造出硫空位，有效降低WS2器件的接触势垒，提升器件性能；GeSe光电偏振探测器在PZT衬底的表面剩余铁电极化场作用下，光响应率增强至原来的3.1倍，而在ZZ轴拉伸应力作用下，光电探测器响应电流增加40%。研究成果先后在ACS nano、Laser Photonics Rev. , Nanoscale, ACS Applied Materials & Interfaces、Physical Review Applied，Physical Review B等学术刊物上发表论文38篇，申请专利 15项。本项目获得的诸多研究成果为新一代高性能低维光电器件研制提供理论和技术支持。