拓?fù)浣^緣體光電探測器研究進(jìn)展

張玉平，唐利斌

〈綜述與評論〉

拓?fù)浣^緣體光電探測器研究進(jìn)展

張玉平，唐利斌

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

由于拓?fù)浣^緣體具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)特性以及特殊的能帶結(jié)構(gòu)，使其在發(fā)展高性能的寬光譜光電探測器方面具有巨大的前景。然而由于拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)較晚，其在光電探測器領(lǐng)域的研究還處于初始階段。因而存在許多亟待解決的問題，如制備更高質(zhì)量的拓?fù)浣^緣體材料。本綜述概述了拓?fù)浣^緣體材料的發(fā)展歷程，并從材料制備和材料體系的角度闡述了基于拓?fù)浣^緣體材料的光電探測器的研究進(jìn)展，并展望了拓?fù)浣^緣體材料在光電探測器領(lǐng)域的發(fā)展前景。

拓?fù)浣^緣體；光電探測器；材料制備

0 引言

光電器件由于其獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，在物理學(xué)、生物學(xué)、公共安全檢查、局域通信、信息安全、環(huán)境監(jiān)測、無損檢測和國防科技等民用或軍事領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，器件的發(fā)展離不開材料的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新的材料或新的性質(zhì)被發(fā)現(xiàn)了，從而不斷地促進(jìn)器件的發(fā)展。拓?fù)浣^緣體就是近年來發(fā)現(xiàn)的一種具有許多新奇物理性質(zhì)的材料，隨著對拓?fù)浣^緣體材料相關(guān)研究的進(jìn)一步深入，不僅加深了人們對材料物理性質(zhì)的理解，也為其在自旋電子學(xué)和量子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用研究提供了巨大的參考價(jià)值[1]。拓?fù)浣^緣體的特殊性質(zhì)使其在基礎(chǔ)研究、量子計(jì)算、熱電效應(yīng)和自旋電子器件領(lǐng)域都具有獨(dú)特的應(yīng)用前景。此外，近年來發(fā)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體可以很好地應(yīng)用于光電探測領(lǐng)域[2]。

拓?fù)浣^緣體可以很好地用于光電探測器，主要是由于拓?fù)浣^緣體材料具有以下特性：①線性的色散關(guān)系，在普通半導(dǎo)體中，色散關(guān)系是非線性的。而對于拓?fù)浣^緣體材料來說，其能量與動量之間的色散關(guān)系是線性的，就像光子的傳輸一樣。這種特性可以使其對拓?fù)浔砻鎽B(tài)的外部電場具有高的靈敏度，因此該特性可以用于發(fā)展高靈敏度的光電探測器件；②高載流子遷移率，拓?fù)浣^緣體具有一個受時(shí)間反演對稱性保護(hù)的表面態(tài)，由于受到自旋耦合效應(yīng)和時(shí)間反演限制，載流子在表面態(tài)上傳輸過程中具有極低的能量損耗，因而具有很高的載流子遷移率，這對于光電探測器件來說，具有很大的應(yīng)用價(jià)值；③特殊的能帶結(jié)構(gòu)，拓?fù)浣^緣體具有窄帶隙的體態(tài)和零帶隙的表面態(tài)，這個零帶隙的表面態(tài)連接了體態(tài)的導(dǎo)帶和價(jià)帶，從而就像石墨烯一樣，可以探測一個很寬的電磁波譜范圍，非常適合于發(fā)展寬探測范圍的光電探測器；④帶隙可調(diào)，磁性雜質(zhì)可以破壞拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的時(shí)間反演對稱性，從而打開拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的帶隙，通過這種磁性雜質(zhì)的摻雜，可以實(shí)現(xiàn)對帶隙的調(diào)控。因此，拓?fù)浣^緣體材料在光電探測器領(lǐng)域具有很大的發(fā)展前景。

然而，現(xiàn)在國內(nèi)外對基于拓?fù)浣^緣體的光電探測器的研究還處于起始階段。主要是因?yàn)橥負(fù)浣^緣體材料發(fā)現(xiàn)的時(shí)間較晚，并且在拓?fù)浣^緣體提出以后，關(guān)于對拓?fù)浣^緣體的研究大多集中在對量子反?；魻栃?yīng)的研究上，對其在光電探測器領(lǐng)域的研究較少。此外，發(fā)展基于拓?fù)浣^緣體材料的光電探測器也存在許多需要解決的困難。例如，制備高質(zhì)量的材料需要花費(fèi)巨大的成本，這不符合低成本和高性能的器件的發(fā)展趨勢；此外，在制備過程中很難避免一些本征摻雜以及其他雜質(zhì)，因而制備得到的材料的載流子遷移率很難達(dá)到理論值。這些問題都是后續(xù)的研究中需要解決的問題，相信隨著材料制備技術(shù)的成熟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，拓?fù)浣^緣體材料將在發(fā)展高性能的光電探測器件領(lǐng)域發(fā)揮著更加重要的作用[3]。

本文綜述了拓?fù)浣^緣體材料的發(fā)展歷程，進(jìn)而論述了拓?fù)浣^緣體材料在光電探測器領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，這主要包括在光電探測器領(lǐng)域，拓?fù)浣^緣體材料的制備現(xiàn)狀，以及目前研究比較多的用于光電探測器的拓?fù)浣^緣體材料的研究現(xiàn)狀，揭示了拓?fù)浣^緣體材料將在光電探測領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

1 拓?fù)浣^緣體材料概述及其發(fā)展歷程

拓?fù)浣^緣體材料是近年發(fā)現(xiàn)的一種特殊的材料，是一種新的量子物質(zhì)態(tài)，其具有許多新奇的物理特性[3]。拓?fù)浣^緣體完全不同于傳統(tǒng)意義上的金屬、絕緣體和半導(dǎo)體，傳統(tǒng)固體材料按照其電子結(jié)構(gòu)可以分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體，然而拓?fù)浣^緣體并不在這個分類中。如圖1所示，拓?fù)浣^緣體內(nèi)部是有能隙的絕緣體，而表面則是具有受時(shí)間反演對稱性保護(hù)的零帶隙的金屬表面態(tài)。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體相比，當(dāng)拓?fù)浣^緣體的載流子獲得的能量無法使其從體態(tài)的價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，則可以通過表面態(tài)來實(shí)現(xiàn)載流子的傳輸[4-5]。這種拓?fù)湮飸B(tài)的研究是近10年來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域內(nèi)最為重要和快速發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)之一，其影響力已從凝聚態(tài)物理研究輻射到整個物理學(xué)，乃至化學(xué)、材料學(xué)、信息學(xué)、生物學(xué)、電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、能源技術(shù)等廣闊的領(lǐng)域。此外，拓?fù)湮飸B(tài)的出現(xiàn)給我們帶來了豐富的拓?fù)湮镄?，例如：拓?fù)溥吔鐟B(tài)、無耗散、非定域響應(yīng)和拓?fù)浔Ｗo(hù)等，其中有些特性是在以前的凝聚態(tài)物理研究中從未遇到的。這些全新拓?fù)湮镄缘某霈F(xiàn)有望徹底顛覆我們現(xiàn)有的電子、信息和半導(dǎo)體技術(shù)，從而推動整個技術(shù)體系跨越式進(jìn)步。這也是近10年來，歐美日等強(qiáng)國競相加大拓?fù)湮飸B(tài)研究，力爭搶占該領(lǐng)域制高點(diǎn)的原因。

拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)要追溯到學(xué)者對霍爾效應(yīng)的研究中，在1879年，美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。在霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的100多年后，德國物理學(xué)家Klitzing等于1980年在極低溫（1.5K）和強(qiáng)的磁場（18T）的條件下，對MOS反型層中的二維電子氣做霍爾電阻的測量時(shí)，發(fā)現(xiàn)霍爾電阻的阻值隨磁場的變化是非連續(xù)的，而是一些整數(shù)變化的電阻平臺，這與之前的經(jīng)典霍爾效應(yīng)是完全不同的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱之為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，這個發(fā)現(xiàn)也獲得了1985年的諾貝爾物理學(xué)獎。隨后在1982年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的D. C. Tsui等人，在使用更低的溫度（0.1K）和更強(qiáng)的磁場（20T）研究霍爾效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)霍爾電阻的平臺不僅是整數(shù)變化的，也存在某些分?jǐn)?shù)變化的電阻平臺，后面把這種現(xiàn)象稱為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，D. C. Tsui團(tuán)隊(duì)也因此獲得了1998年的諾貝爾物理學(xué)獎。在接連獲得幾個諾貝爾物理學(xué)獎之后，凝聚態(tài)物理在科學(xué)界引起了廣泛的關(guān)注，這也為拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)[3,6-7]。

圖1 能帶示意圖：(a) 導(dǎo)體；(b) 絕緣體；(c) 半導(dǎo)體；(d) 拓?fù)浣^緣體

在后續(xù)的探索中發(fā)現(xiàn)，盡管發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)，但由于強(qiáng)磁場和低溫的特殊環(huán)境，實(shí)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)的成本很高，從而限制了它的發(fā)展。因此，希望不在特定環(huán)境下也可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)。最終，這種不需要在極低溫度和強(qiáng)磁場環(huán)境下的量子自旋霍爾效應(yīng)于2005年被發(fā)現(xiàn)，這標(biāo)志著對拓?fù)浣^緣體探索的開始。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，拓?fù)浣^緣體不需要特定的環(huán)境，而是由于其強(qiáng)大的自旋軌道耦合效應(yīng)而產(chǎn)生自旋霍爾效應(yīng)，這種自旋霍爾效應(yīng)可以表現(xiàn)出類似于量子霍爾效應(yīng)的電子態(tài)。這種量子自旋霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引起了新的研究熱潮，并推動了對拓?fù)浣^緣體的研究進(jìn)程。

在量子霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之后，對拓?fù)浣^緣體的研究主要是圍繞霍爾效應(yīng)進(jìn)行的。2006年，斯坦福大學(xué)的張首晟通過理論計(jì)算，提出在CdTe/HgTe/CdTe量子阱中，有可能實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)[8]。2007年，德國伍爾茲堡大學(xué)的Molenkamp等人[9]，成功制備出了CdTe/HgTe/CdTe量子阱，并用實(shí)驗(yàn)論證了在CdTe/HgTe/CdTe量子阱中可以實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)，這也是實(shí)驗(yàn)論證的第一個拓?fù)浣^緣體。2008年，張首晟研究組預(yù)言了一種基于傳統(tǒng)III-V族半導(dǎo)體的二維拓?fù)浣^緣體材料[10]，就是AlSb/InAs/GaSb/AlSb量子阱。2009年，中國科學(xué)院物理所的方忠等人[11]，提出在用磁性粒子摻雜硒化鉍、碲化鉍、碲化銻的體系中，可以實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。2013年，清華大學(xué)的薛其坤團(tuán)隊(duì)[12]，在用分子束外延法制備的拓?fù)浣^緣體樣品中觀測到了量子反常霍爾效應(yīng)。隨著對拓?fù)浣^緣體霍爾效應(yīng)的研究中，發(fā)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體在光電探測領(lǐng)域也具有很大的應(yīng)用前景[7]。2014年，Zang Chen等人[5]，制備了薄的Bi2Se3納米片，結(jié)果表面制備的基于Bi2Se3納米片展現(xiàn)出了很好的光電性能，其響應(yīng)時(shí)間為0.7s，響應(yīng)率為20.48mA/W，揭示了拓?fù)浣^緣體在光電探測器領(lǐng)域的巨大潛力，也為拓?fù)浣^緣體材料在光電探測器領(lǐng)域的應(yīng)用研究拉開了序幕。

2 拓?fù)浣^緣體材料在光電探測器領(lǐng)域的研究進(jìn)展

由于量子自旋霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)時(shí)間較晚，所以拓?fù)浣^緣體材料的發(fā)展時(shí)間也較短。對拓?fù)浣^緣體材料的研究主要從二維拓?fù)錉顟B(tài)開始。該狀態(tài)理論上是從二維材料（例如石墨烯）和二維半導(dǎo)體的均勻梯度得出的，最開始的獲得拓?fù)浣^緣體的方法是使材料發(fā)生體帶反轉(zhuǎn)。二維拓?fù)浣^緣體主要是Hg1－CdTe，現(xiàn)在已被實(shí)驗(yàn)論證。

現(xiàn)在發(fā)展最為迅速的是三維拓?fù)浣^緣體，已經(jīng)發(fā)展了三代。第一代三維拓?fù)浣^緣體是Bi1－Sb二元合金（＝0.07～0.22）。研究發(fā)現(xiàn)其比例不穩(wěn)定，并且不是純的化學(xué)相[3]。此外，Bi1－Sb的表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，間隙狹窄。因此，Bi1－Sb不適合研究和應(yīng)用。隨后科學(xué)家在優(yōu)化三維拓?fù)浣^緣體方面取得了更大的進(jìn)步。然后出現(xiàn)了第二代三維拓?fù)浣^緣體，主要包括Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3[13-14]。這些拓?fù)浣^緣體的體帶隙比較窄，并且結(jié)構(gòu)簡單，因此非常易于制備和研究。因而它們是目前使用最為廣泛的拓?fù)浣^緣體。第三代三維拓?fù)浣^緣體被稱為拓?fù)渚Ы^緣體，其體帶隙與第二代類似，只是還存在一個受鏡像對稱保護(hù)的邊界態(tài)。如圖2所示，現(xiàn)在光電探測器領(lǐng)域所涉及的拓?fù)浣^緣體材料也主要是第二代三維拓?fù)浣^緣體Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3，以及第三代拓?fù)浣^緣體SnTe[15]。下文將從材料的制備以及器件的研究情況闡述這些在光電探測領(lǐng)域研究最為廣泛的幾種拓?fù)浣^緣體材料的發(fā)展現(xiàn)狀。

圖2 用于光電探測器的拓?fù)浣^緣體材料

2.1 材料制備研究進(jìn)展

拓?fù)浣^緣體具有多種制備方法，但是每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)不同。在實(shí)際應(yīng)用中，總是選擇可以制備高純度拓?fù)浣^緣體的低成本制備方法。此外，制備過程中的摻雜對拓?fù)浣^緣體的性質(zhì)有重要影響。目前在拓?fù)浣^緣體的制備過程中，雜質(zhì)通常是不可避免的。這些雜質(zhì)對拓?fù)浣^緣體的性質(zhì)有不同的影響，例如，制備出來的Sb2Te3拓?fù)浣^緣體通常為p型。另外，還可以人工控制雜質(zhì)以改變拓?fù)浣^緣體的參數(shù)，從而獲得所需的性質(zhì)。例如，可以通過控制摻雜元素和數(shù)量來獲得n型和p型的三維拓?fù)浣^緣體。在光電探測領(lǐng)域，通常對光敏材料的質(zhì)量有很高的要求，同時(shí)又希望能盡可能地降低材料的制備成本，本節(jié)介紹了幾種目前在光電探測器領(lǐng)域，已經(jīng)報(bào)道出來的拓?fù)浣^緣體的制備方法[16]。

如表1所示，拓?fù)浣^緣體材料主要通過范德華外延法（Van der Waals epitaxial），物理氣相沉積法（physical vapor deposition），分子束外延（molecular beam epitaxy）[17]，化學(xué)氣相沉積（chemical vapor deposition）和激光脈沖沉積法（pulsed laser deposition）等制備。范德華外延的原理比較簡單，但是其對襯底具有選擇性。分子束外延法制備的拓?fù)浣^緣體具有很高的質(zhì)量，但其襯底溫度較高、易受襯底的匹配限制，且設(shè)備較昂貴。溶劑熱法需要在高溫高壓的條件下，且對于薄膜樣品來說，不易控制。化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積是種成本較低，適合實(shí)驗(yàn)室制備的方法。高質(zhì)量的拓?fù)浣^緣體是制備出優(yōu)異性能的光電器件的關(guān)鍵，因而尋找一種合適的制備方法是至關(guān)重要的。在拓?fù)浣^緣體材料的制備中，既能制備出高質(zhì)量的材料又能極大地降低制備成本的方法是急缺的。

2.2 光電探測器件研究進(jìn)展

探測器按照探測機(jī)理可以分為熱探測器和光子探測器，而光子探測器又可以分為光導(dǎo)型探測器和光伏型探測器。在目前報(bào)道的涉及拓?fù)浣^緣體的光電探測器中，主要是對光伏型器件的研究，光導(dǎo)型的光電探測器研究較少。光伏型光電探測器的探測機(jī)理是基于光生伏特效應(yīng)，當(dāng)光輻射到光電探測器的光敏層時(shí)，會產(chǎn)生光生載流子，進(jìn)而把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號。而現(xiàn)在研究的拓?fù)浣^緣體光電探測器，主要是基于Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3材料，近年來也有一些基于SnTe材料的光電探測器被報(bào)道出來。因此，本節(jié)主要闡述基于這4種材料的光電探測器的發(fā)展現(xiàn)狀。

表1 用于光電探測器的拓?fù)浣^緣體材料的制備技術(shù)和器件性能統(tǒng)計(jì)表

2.2.1 基于Bi2Se3材料的光電探測器

在基于拓?fù)浣^緣體的光電探測器的研究中，三維拓?fù)浣^緣體Bi2Se3材料是最早進(jìn)入光電探測領(lǐng)域的。Bi2Se3具有一個約為0.3eV的窄帶隙，因而被認(rèn)為在發(fā)展高性能的紅外和太赫茲探測器方面具有很大的前景。如圖3(a)所示[37]，Bi2Se3具有一個層狀的晶體結(jié)構(gòu)，沿著c軸的方向，由5原子層按照Se-Bi-Se-Bi-Se的順序，周期性的堆疊而成。自從2014年基于Bi2Se3納米片的光電器件展現(xiàn)出了很好的光電探測性能后，Bi2Se3材料在光電探測領(lǐng)域有了更加廣泛的研究。Biswajit Das報(bào)道了一個Bi2Se3/Si納米線的近紅外探測器[26]，結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示，在890nm的光照下，其響應(yīng)率達(dá)到了938.4A/W，探測率達(dá)到了2.35×1013Jones，展現(xiàn)出了很高的光電探測性能。除了Bi2Se3與Si納米線的光電探測器外，也有基于Bi2Se3納米線的光導(dǎo)探測器被報(bào)道出來[38]，如圖3(c)所示，該器件在紫外到近紅外的范圍內(nèi)，均勻光電響應(yīng)。此外，Wang等人也報(bào)道了基于Bi2Se3薄膜的光導(dǎo)探測器（圖3(d)）[37]，在1456 nm的光照下，其響應(yīng)率達(dá)到了23.8A/W，外量子效率達(dá)到了2035%，雖然響應(yīng)率沒有Biswajit Das報(bào)道的器件高，但是其探測的范圍更大了?；趐n結(jié)的光電探測器是最常見的一種，這種結(jié)構(gòu)在基于拓?fù)浣^緣體材料的光電探測器研究中也很廣泛，但目前的研究還處于初始階段，對于Bi2Se3材料，現(xiàn)在的報(bào)道主要是基于Bi2Se3和Si結(jié)合的器件，器件結(jié)構(gòu)如圖3(e)所示[21]，Bi2Se3和Si的能帶結(jié)構(gòu)示意圖及光電響應(yīng)機(jī)理如圖3(f)所示[22]，該器件在808nm的光照下的響應(yīng)率值為24.28A/W，探測率值為4.39×1012Jones，展現(xiàn)出其在發(fā)展高性能的紅外光電探測器件方面具有巨大的潛力。

2.2.2 基于Bi2Te3材料的光電探測器

在對基于拓?fù)浣^緣體材料的光電探測器的研究中，基于Bi2Te3材料的光電探測器是近幾年研究最為廣泛的。Bi2Te3的晶體結(jié)構(gòu)類似于Bi2Se3，具有一個由范德華力結(jié)合的層狀晶體結(jié)構(gòu)，沿著c軸的方向，由5原子層按照Te-Bi-Te-Bi-Te的順序，周期性的堆疊而成。Bi2Te3材料作為三維拓?fù)浣^緣體材料的第二代材料，其化學(xué)成分穩(wěn)定，較容易制備，因而可以廣泛地用于光電探測器的研究。此外，經(jīng)測量Bi2Te3表面的載流子遷移率高達(dá)～5000cm2/(V×s)，并且具有一個很窄的體帶隙（0.17eV），因而很適合用于發(fā)展高性能的長波長光電探測器。Qiao等人報(bào)道了基于石墨烯和Bi2Te3的光電探測器[27]，該器件在532nm，980nm和1550nm的光照下均有光電響應(yīng)（圖4(a)），實(shí)現(xiàn)了一個寬波長范圍的光電探測。Liu等人報(bào)道了一個基于Bi2Te3的光導(dǎo)探測器[28]，器件結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示，該光導(dǎo)器件在1064nm和1550nm的光照下都有光電響應(yīng)，但其響應(yīng)率較低，僅為～mA/W，這可能是由于其器件結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。Sharma等人也報(bào)道了一個基于Bi2Te3納米線的光導(dǎo)型探測器（圖4(c)）[39]，其電磁波譜響應(yīng)范圍為325～1550nm，該器件在1550nm的光照下，其響應(yīng)率達(dá)到了74A/W，展現(xiàn)出了優(yōu)異的光電響應(yīng)特性。在Bi2Te3材料的制備過程中，由于一些不可避免的本征摻雜，制備出來的Bi2Te3材料通常為n型材料，因而可以與合適的p型材料結(jié)合，形成pn結(jié)。目前，最常見的是和n型Si的結(jié)合，圖4(d)就是Wang等人報(bào)道的p型Bi2Te3和n型Si結(jié)合的異質(zhì)結(jié)光電探測器[40]，展現(xiàn)出了很好的光電探測器性能，也揭示了通過把p型Bi2Te3材料和不同的n型半導(dǎo)體材料結(jié)合是發(fā)展高性能的寬光譜探測器的很好方向。圖4(e)給出了近幾年報(bào)道的基于Bi2Te3的光電探測器的電磁波譜響應(yīng)范圍及器件響應(yīng)率，可以看出，Bi2Te3材料在發(fā)展高性能寬光譜光電探測器方面具有很大的潛力[27-30]。

圖3 Bi2Se3材料結(jié)構(gòu)及其光電探測器：(a) Bi2Se3晶體結(jié)構(gòu)示意圖；(b) Bi2Se3/Si納米線近紅外探測器；(c) Bi2Se3納米線光導(dǎo)探測器；(d) Bi2Se3薄膜光導(dǎo)探測器；(e) Bi2Se3/Si探測器；(f) Bi2Se3/Si能帶示意圖

Fig.3 Bi2Se3material structure and photodetector based on it: (a) Schematic diagram of Bi2Se3crystal structure; (b) Bi2Se3/Si nanowire near-infrared photodetector; (c) Bi2Se3nanowire photoconductive detector; (d) Bi2Se3thin film photoconductive detector; (e) Bi2Se3/Si photodetector; (f) Schematic diagram of the Bi2Se3/Si energy band

2.2.3 基于Sb2Te3材料的光電探測器

圖4 基于Bi2Te3材料的光電探測器：(a) Bi2Te3/graphene光電探測器；(b) Bi2Te3薄膜光導(dǎo)探測器；(c) Bi2Te3薄膜光導(dǎo)探測器；(d) Bi2Te3/Si光電探測器；(e) 基于Bi2Te3的光電探測器

Fig.4 Photodetectors based on Bi2Te3material: (a) Bi2Te3/graphene photodetector; (b) Bi2Te3thin film photoconductive detector;(c) Bi2Te3thin film photoconductive detector；(d) Bi2Te3/Si photodetector; (e) Bi2Te3based photodetector

2.2.4 基于SnTe材料的光電探測器

SnTe是一種常見的拓?fù)渚Ы^緣體材料，其晶體結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示[34]，SnTe中的鍵是強(qiáng)共價(jià)鍵，與拓?fù)浣^緣體Bi2Se3和Bi2Te3中五倍層（quintuple layer）之間的范德華相互作用完全不同。與其他拓?fù)浣^緣體材料相比，SnTe更易于合成，因而在發(fā)展光電探測器件方面具有很大潛力。對基于SnTe材料的光電探測器的研究起步較晚，現(xiàn)在已經(jīng)報(bào)道出來的基于SnTe的光電探測器也很少。2017年，Jiang等人通過分子束外延法制備得到了高質(zhì)量的SnTe薄膜[33]，并研究了基于SnTe薄膜的光導(dǎo)型光電探測器，其結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示，研究指出基于SnTe薄膜的器件在可見光到中波紅外的范圍（405nm～3.8mm）內(nèi)有穩(wěn)定的光電響應(yīng)，并在2003nm的光照下，得到器件的響應(yīng)率為3.75A/W，這與其他拓?fù)浣^緣體材料的光電探測器相比，其實(shí)現(xiàn)了對更長波長的探測。Gu等人也研究了拓?fù)渚Ы^緣體SnTe和Si的異質(zhì)結(jié)光伏探測器[32]，器件的探測范圍為254～1550 nm，其探測率達(dá)到8.4×1012Jones，展現(xiàn)出很高的光電探測性能。此外，Yang等人報(bào)道了基于SnTe的場效應(yīng)晶體管形式的光電探測器[43]，其具有一個寬的探測范圍（254～2650nm），在4650nm的光照下，其響應(yīng)率達(dá)到了4.17A/W。如圖6(c)和(d)所示，Yang等人還研究了場效應(yīng)晶體管的通道長度對器件響應(yīng)率和響應(yīng)時(shí)間的影響，這對研究基于拓?fù)浣^緣體的高性能光電探測來說，具有重要的意義。

2.2.5 其他光電探測器

隨著對拓?fù)浣^緣體的進(jìn)一步研究，更多的拓?fù)浣^緣體材料被發(fā)現(xiàn)，如KHgSb，PtLuSb，HgS，HgTe和CaAgAs等[44-48]，但這些材料大多應(yīng)用于量子霍爾效應(yīng)方面的研究，還未涉及光電探測領(lǐng)域?，F(xiàn)階段，在基于拓?fù)浣^緣體的光電探測領(lǐng)域，除了基于Bi2Se3，Bi2Te3，Sb2Te3和SnTe的光電探測器被研究之外，也還有一些其他拓?fù)浣^緣體光電探測器。如基于In2Se3，Bi2Te2Se和Sb2SeTe2等材料的光電探測器，但報(bào)道的還比較少，其研究還處于初始階段[49-50]。

3 結(jié)論及展望

隨著光電探測器在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮著更加重要的作用，對光電探測器的性能要求也越來越高。拓?fù)浣^緣體具有高的載流子遷移率、優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)、特殊的能帶結(jié)構(gòu)等特性，在發(fā)展高性能的光電探測器方面，具有巨大的前景。本文綜述了拓?fù)浣^緣體材料的發(fā)展歷程，進(jìn)而論述了拓?fù)浣^緣體材料在光電探測器領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，這主要包括在光電探測器領(lǐng)域，拓?fù)浣^緣體材料的制備現(xiàn)狀，以及目前研究比較多的用于光電探測器的拓?fù)浣^緣體材料的研究現(xiàn)狀。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將會有更多基于拓?fù)浣^緣體的光電探測器被研究，拓?fù)浣^緣體材料在光電探測領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要的作用。

圖5 Sb2Te3材料結(jié)構(gòu)及其光電探測器：(a) Sb2Te3晶體結(jié)構(gòu)示意圖；(b) Sb2Te3光導(dǎo)探測器；(c) Sb2Te3能帶示意圖；(d) Sb2SeTe2光導(dǎo)探測器；(e) Sb2Te3/STO光電探測器

圖6 SnTe材料結(jié)構(gòu)及其光電探測器：(a) SnTe晶體結(jié)構(gòu)示意圖；(b) SnTe光導(dǎo)探測器；(c) 場效應(yīng)晶體管器件的響應(yīng)率與通道長度的關(guān)系；(d) 場效應(yīng)晶體管器件的響應(yīng)時(shí)間與通道長度的關(guān)系

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Research Progress in Photodetectors Based on Topological Insulators

ZHANG Yuping，TANG Libin

(,650223,)

Because of their excellent optical and electrical properties and the special band structure, topological insulators have great prospects in the development of high-performance broadband photodetectors. However, owing to the late discovery of topological insulators, research based on them, in the field of photodetectors, is still in its early stages. Therefore, there are several problems that need to be resolved, such as the preparation of topological insulator materials of a higher quality. This review summarizes the development of topological insulator materialsand further delineates the research progress of photodetectors, based on topological insulator materials from the perspective of material preparations and material systems; furthermore, it details the prospects for the development of topological insulator materials in the field of photodetectors.

topological insulators, photodetectors, material preparation

TN204

A

1001-8891(2020)01-0001-09

2019-12-15；

2020-01-10.

張玉平（1993-），男，碩士，研究方向是光電材料。

唐利斌（1978-），男，研究員級高級工程師，博士生導(dǎo)師，主要從事光電材料與器件研究。E-mail：scitang@163.com。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFB2203404）；中國兵器創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2017CX024）。