光電探測(cè)器(PDs)是現(xiàn)代通信與傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，利用光電或光熱等效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。半金屬是指導(dǎo)帶和價(jià)帶之間相隔很窄的材料，能帶寬度介于金屬和半導(dǎo)體之間，費(fèi)米能級(jí)附近電子的態(tài)密度接近于零，沒(méi)有帶隙。

在可見(jiàn)光和近紅外波段，利用半導(dǎo)體材料制作高性能、低成本、集成程度高的PDs的技術(shù)已經(jīng)成熟，但是可應(yīng)用于光子能量較低的中遠(yuǎn)紅外波段的PDs仍面臨許多挑戰(zhàn)。

近日，來(lái)自天津大學(xué)、耶魯大學(xué)、卡耐基梅隆大學(xué)等的研究人員，在 Nature Materials 上發(fā)表了關(guān)于半金屬材料高性能光電探測(cè)的“Perspective”型文章，指出半金屬材料在低能、高速光電探測(cè)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但也存在具有較高暗電流噪聲的缺陷。作者展望了利用石墨烯等半金屬拓?fù)洳牧辖鉀Q這一問(wèn)題的前景，總結(jié)了近期的相關(guān)進(jìn)展，也討論了未來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

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研究背景

在可見(jiàn)光和近紅外波段，利用硅、鍺等元素半導(dǎo)體和砷化鎵、磷化銦等化合物半導(dǎo)體，高性能、低成本、集成程度高的PDs的技術(shù)已經(jīng)成熟。但是可應(yīng)用于光子能量較低的中遠(yuǎn)紅外波段的PDs仍面臨許多挑戰(zhàn)，限制了它在自動(dòng)駕駛、夜間成像、氣體傳感、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用?，F(xiàn)有的商用中紅外光電探測(cè)器存在著成本高、難以集成、室溫不可用或探測(cè)速度慢等問(wèn)題。目前，需要高速、高靈敏度、易于集成、室溫可用的PDs以應(yīng)對(duì)高通量紅外光譜儀、高速成像等中紅外乃至太赫茲波段光電探測(cè)的需求。

PDs根據(jù)原理分為光電效應(yīng)類(lèi)探測(cè)器(photon-typedetectors)和光熱效應(yīng)類(lèi)探測(cè)器(thermal-type detectors)。前者的原理基于光激發(fā)電子-空穴對(duì)的直接產(chǎn)生，后者的原理基于熱載流子對(duì)電子和晶格溫度的改變。

一般來(lái)說(shuō)，光熱效應(yīng)類(lèi)探測(cè)器波長(zhǎng)不敏感，響應(yīng)速度慢，成本較低；光電效應(yīng)類(lèi)探測(cè)器信噪比高，響應(yīng)速度快，但價(jià)格較貴，且通常需要低溫冷卻以減少熱產(chǎn)生的載流子，因此存在體積大、耗電量大、器件脆弱的弊端。

所以，如何開(kāi)發(fā)高性能、低能量、無(wú)需低溫冷卻的光子探測(cè)器仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。半金屬材料在超快操作下實(shí)現(xiàn)高靈敏度、低能量光電探測(cè)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

圖1 半導(dǎo)體和半金屬PDs的對(duì)比。

a.反向偏置下的的PIN光電二極管；b.半導(dǎo)體中光生載流子的產(chǎn)生與復(fù)合；c.基于半金屬材料的叉指型場(chǎng)效應(yīng)管；d.半金屬重疊帶隙內(nèi)光生載流子的產(chǎn)生與復(fù)合，通過(guò)電子-電子散射可達(dá)到ps量級(jí)。

圖源：Semimetalsfor high-performance photodetection (Fig. 2)

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半金屬與半導(dǎo)體的比較

圖1對(duì)比了半金屬和半導(dǎo)體PDs的工作機(jī)制和材料的能帶中光生載流子的產(chǎn)生與符合方式。由于半金屬材料沒(méi)有帶隙，光子能量可探測(cè)范圍可達(dá)到低能端。半金屬重疊帶隙內(nèi)光生載流子的產(chǎn)生與復(fù)合，可通過(guò)電子-電子散射可達(dá)到ps量級(jí)，從而提高半金屬探測(cè)器的運(yùn)行速度。

但無(wú)帶隙結(jié)構(gòu)使半金屬室溫下暗電流噪聲較大，PDs需要在無(wú)偏置模式下工作來(lái)降低暗電流(如圖1c所示)，只能通過(guò)其他效率較低的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷分離，如內(nèi)置電場(chǎng)、光熱電（PTE）效應(yīng)或光登伯（photo-Dember）效應(yīng)。半金屬中光生載流子短暫的瞬態(tài)壽命進(jìn)一步加劇了電荷分離問(wèn)題，使光探測(cè)響應(yīng)率較低。因此，半金屬材料對(duì)快速的電荷分離機(jī)制有強(qiáng)烈需求。

04

半金屬光電探測(cè)器的發(fā)展

由于半金屬材料外加偏置電壓后有較高的暗電流，降低探測(cè)靈敏度，所以它們并不是傳統(tǒng)觀點(diǎn)中認(rèn)為的可以用作光電探測(cè)的材料。但是，十年前研究人員提出的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管PD證明了在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)使用金屬材料進(jìn)行高速探測(cè)的可行性。在此之后，大量關(guān)于半金屬光電探測(cè)的研究涌現(xiàn)出來(lái)，展現(xiàn)了半金屬材料下至遠(yuǎn)紅外光譜范圍的寬帶光響應(yīng)能力和極快響應(yīng)速度，解決了PDs在該波段的探測(cè)困難。

石墨烯與CMOS工藝兼容，可與柔性電子集成，并可與其他材料混合集成。但是能帶結(jié)構(gòu)和無(wú)偏置模式限制了石墨烯PDs的響應(yīng)率。除了響應(yīng)率，PDs的靈敏度還與噪聲電流和量子效率（QE）相關(guān)。拓?fù)浒虢饘俨牧系膽?yīng)用是近期關(guān)于提高半金屬PDs響應(yīng)率的研究熱點(diǎn)。拓?fù)浒虢饘俨牧鲜侵赣型負(fù)浞浅Ｒ?guī)電子能帶結(jié)構(gòu)的非金屬材料。一種直接的方法是用3D Dirac半金屬，如Cd3As2，代替石墨烯（2D Dirac半金屬），在不損失寬帶響應(yīng)和超高速的前提下改善響應(yīng)率。

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拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與光電探測(cè)

拓?fù)鋀eyl半金屬是可以顯著增強(qiáng)PDs光電響應(yīng)的拓?fù)浒虢饘俨牧现弧Ｆ涑休d的Weyl費(fèi)米子沿著與自旋矩平行或反平行的方向運(yùn)動(dòng)，可以看作由四重簡(jiǎn)并的狄拉克費(fèi)米子退簡(jiǎn)并為兩個(gè)手性相反的二重簡(jiǎn)并態(tài)。Weyl費(fèi)米子的能量與動(dòng)量成正比，在能量動(dòng)量空間中形成了一個(gè)錐形結(jié)構(gòu)。

拓?fù)浒虢饘俚囊恍┩負(fù)湫?yīng)可以極大改善PDs的光響應(yīng)。以Weyl半金屬為例，這些材料承載沿與自旋力矩平行或反平行的方向傳播的Weyl費(fèi)米子，定義了一個(gè)特定的Weyl錐的手性。Weyl費(fèi)米子的能量與其動(dòng)量成正比，形成錐形能量動(dòng)量空間中的結(jié)構(gòu)（圖2a）。最重要的是，每個(gè)手性Weyl節(jié)點(diǎn)都可以看作是Berry通量場(chǎng)的“單極子”，是動(dòng)量空間中的有效磁場(chǎng)（圖2b）。這些磁單極子直接影響電子運(yùn)動(dòng)并導(dǎo)致了光學(xué)響應(yīng)中各種有趣的拓?fù)湫?yīng)。如與移位電流響應(yīng)有關(guān)的效應(yīng)，由非中心對(duì)稱(chēng)材料的帶間光激發(fā)過(guò)程中電荷中心的位移引起，固有地構(gòu)成與半導(dǎo)體PN結(jié)不同的產(chǎn)生光電流的方式。在半導(dǎo)體PN結(jié)中，內(nèi)置電場(chǎng)分離電子和空穴。而Weyl半金屬仲電荷中心的位移可以表示為Berry連接的變化，產(chǎn)生Berry通量場(chǎng)和速度算子相位的矢量勢(shì)，以及相應(yīng)的電導(dǎo)率張量在Weyl節(jié)點(diǎn)附近被激發(fā)時(shí)會(huì)大大增強(qiáng)（圖2c）。最近，這種拓?fù)湓鰪?qiáng)效應(yīng)已在I型TaAs和II型TaIrTe4中得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖2 Weyl半金屬中位移電流響應(yīng)的拓?fù)湓鰪?qiáng)

圖源：Semimetalsfor high-performance photodetection (Fig. 3)

在低功率下獲得的大響應(yīng)度表明，由于位移電流響應(yīng)而引起的電荷分離機(jī)制非常有效。該機(jī)制固有的超快特性，可用于克服半金屬PDs中低響應(yīng)率的問(wèn)題。但是，由設(shè)備中的勢(shì)壘引起的開(kāi)啟閾值可能成為限制檢測(cè)能力的另一個(gè)問(wèn)題。

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技術(shù)與挑戰(zhàn)

拓?fù)浒虢饘貾Ds面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)首先是如何確定理想的光電探測(cè)材料。高性能的器件依賴(lài)于高質(zhì)量的材料增長(zhǎng)，但拓?fù)浒虢饘偃匀浑y以生產(chǎn)，它們與CMOS晶片的兼容也是一個(gè)問(wèn)題。其次是從器件設(shè)計(jì)者的角度，器件設(shè)計(jì)中需要特別考慮無(wú)外部電壓偏置和拓?fù)湫?yīng)的影響。第三是片上拓?fù)浼桑刹辉偈呛?jiǎn)單地將多個(gè)設(shè)備的現(xiàn)有功能疊加到一起，更重要的是產(chǎn)生以前不存在的功能。

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拓?fù)湫?yīng)增強(qiáng)光電探測(cè)的機(jī)遇

半金屬拓?fù)湮锢硎俏磥?lái)解決低能量光電探測(cè)瓶頸的有效途徑。拓?fù)洳牧现械膶?duì)稱(chēng)性也可以通過(guò)對(duì)其邊緣和界面的設(shè)計(jì)加以利用。另外可能的手段是使用邊界狀態(tài)進(jìn)一步增強(qiáng)邊界上光與物質(zhì)的相互作用。此外，拓?fù)湫?yīng)可能提供對(duì)特定量子自由度的控制，如與手性相關(guān)的Weyl錐的圓形選擇規(guī)則有助于區(qū)分光的螺旋性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Weyl半金屬和手性費(fèi)米子材料螺旋敏感的PDs。

作為一個(gè)新興領(lǐng)域，半金屬的拓?fù)湫?yīng)為光電探測(cè)提供了一個(gè)鼓舞人心的平臺(tái)。手性，量子幾何效應(yīng)和表面態(tài)與非常規(guī)量子自由度的相互作用可以產(chǎn)生許多有趣的光學(xué)效應(yīng)。范德華材料的堆疊為半金屬材料提供了額外的自由度。圖3中列舉了其中幾種半金屬PDs的發(fā)展機(jī)遇。隨著人們對(duì)通過(guò)拓?fù)湓鰪?qiáng)Weyl半金屬的位移電流響應(yīng)的關(guān)注，可以預(yù)見(jiàn)光電檢測(cè)關(guān)鍵問(wèn)題的拓?fù)浣鉀Q方案，而這可能會(huì)成為拓?fù)湮锢淼脑缙谏虡I(yè)應(yīng)用，讓我們拭目以待。

圖3 基于半金屬光電探測(cè)的發(fā)展機(jī)遇

原文標(biāo)題：拓?fù)浒虢饘俟怆娞綔y(cè)器

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