APL | 郑州大学吴翟教授团队:超低暗电流VS₂/SiO₂/Si MIS光电二极管助力高灵敏宽波段探测

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近日，郑州大学物理学院吴翟教授团队在低暗电流光电器件与高灵敏弱光探测研究方面取得进展。团队聚焦于硅基或二维材料层间结构光电器件中暗电流普遍较高的问题，提出并构建金属-绝缘体-半导体（MIS）型光电二极管，有效抑制了暗电流，并显著提升探测灵敏度。相关研究成果以“Ultralow dark-current self-power VS₂/SiO₂/Si MIS photodiode for highly sensitive broadband detection”为题，发表于物理学国际知名期刊《Applied Physics Letters》。

硅基光电器件因其性能优异、技术成熟，在通信和成像等领域应用广泛。二维材料与硅的范德华异质结构层间结通过干净界面和可调控能带结构，突破了纯硅器件在响应速度、光谱范围、功耗和功能多样性上的物理极限。然而此类异质结构器件采用PN结或肖特基结结构，相较于商用硅光电二极管，其暗电流密度往往偏高，对弱光探测能力构成制约。因此，如何在保持高灵敏度的同时抑制暗电流，成为高性能光电探测器研发的关键挑战之一。

针对这一难题，团队通过器件结构工程，在肖特基结界面引入超薄绝缘层，成功构建了金属-绝缘体-半导体（MIS）型光电二极管，可有效提高界面势垒高度，显著抑制暗场条件下本征载流子的输运，同时保证在内建电场下光生载流子的高效传输，从而实现暗电流抑制与光响应灵敏度提升之间的良好平衡。

作为二维过渡金属硫属化合物，1T-VS₂具有接近零的带隙，展现出从紫外至红外的宽光谱响应能力，且其无悬挂键、易于堆叠的特性使其与硅基工艺高度兼容。本研究通过原位金属转换法制备了大面积二维VS₂薄膜，并基于界面势垒工程成功构建了VS₂/SiO₂/Si MIS光电二极管。该探测器在零偏压条件下表现出优异的自驱动光电性能：暗电流低至2×10^-13 A，弱光探测可达80 nW/cm²，在980 nm光照条件下的光暗电流比高达10⁷，响应范围覆盖265-2200 nm宽谱区。上述性能表明，该MIS结构设计在抑制器件暗电流、提升探测灵敏度方面具有显著优势，为开发高性能自驱动光电探测器提供了新思路。

吴翟，郑州大学物理学院教授、博士生导师，中国高被引学者，河南省杰出青年基金获得者，河南省高层次人才。近年来一直在从事低维纳米半导体光电材料与器件的研究，发表SCI论文240余篇，其中包含“ESI高被引论文”20篇，引用超18000余次，“H因子”为75；申请发明专利18项。先后主持了国家自然科学基金-国际合作与交流项目、面上项目、河南联合基金、青年项目，河南省自然科学基金杰出青年、优秀青年项目、中国博士后科学基金项目，河南省科技厅重点研发与推广专项和河南省高等学校重点科研项目等科研项目十余项，荣获中国高被引学者、全球前2%顶尖科学家、河南省中原青年拔尖人才、河南省教育厅学术技术带头人、纳米研究青年科学家奖等荣誉和称号。

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