摘要：异质外延材料是半导体光探测器件的核心材料之一，然而受晶格匹配限制，这些材料在单一衬底上的异质外延往往面临较高的晶格应变，导致界面质量下降，晶体缺陷增加，面临诸多“卡脖子”技术。同时，昂贵的半导体设备及复杂的半导体工艺技术限制了其广泛应用。

异质外延材料是半导体光探测器件的核心材料之一，然而受晶格匹配限制，这些材料在单一衬底上的异质外延往往面临较高的晶格应变，导致界面质量下降，晶体缺陷增加，面临诸多“卡脖子”技术。同时，昂贵的半导体设备及复杂的半导体工艺技术限制了其广泛应用。

近期，上海应用技术大学材料科学与工程学院、上海市光探测材料与器件工程技术研究中心刘玉峰教授团队与国科大杭州高等研究院及美国麻省理工学院（MIT）等国内外单位合作，在二维半导体材料异质外延方面取得重要进展。研究团队通过“面内自适应异质外延”策略，成功实现了二维半导体单晶材料在c面蓝宝石衬底上的高取向外延生长。该方法通过晶体取向的30°旋转，有效调控压应力与拉应力，实现应变的可容忍性，使不同晶格常数的异质外延单晶与蓝宝石衬底之间形成可控的界面应变。更重要的是，基于该异质外延材料的光探测器件较非外延器件展现出更优异的光探测性能。相关成果近日在材料类顶刊Advanced Materials 上在线发表，研究生刘振宇（现为南方科技大学在读博士生）为第一作者，刘玉峰教授、房永征教授及国科大杭州高等研究院单玉凤博士为共同通讯作者。

图1. Cs₃Bi₂X₉单晶的制备过程、光学显微照片、晶体结构示意图以及XRD测试结果

实验结果表明，基于在c面蓝宝石衬底上异质外延生长的异质外延单晶构建的光电探测器在450 nm波长的激光照射下，响应时间为367.8 μs，探测率达到3.7×10¹² Jones，线性动态范围(LDR)高达113 dB，远超传统玻璃衬底器件。此外，该光电探测器在多次开关循环和长时间测试中保持稳定，展现出优异的运行可靠性和长的器件寿命。该工作为新型半导体材料异质外延生长及其器件应用提供了新的实验方法和理论支撑。

图2. Cs₃Bi₂X₉单晶的形貌与元素分布、显微结构、光学吸收性能、带隙变化关系、导带和价带位置，以及PL光谱特性。

图3. Cs₃Bi₂X₉单晶在蓝宝石基底上的界面模型及不同旋转角下结合能的DFT计算结果

图4. Cs₃Bi₂X₉单晶在异质外延生长过程中的取向关系、界面应变和晶格匹配情况

图5. Cs₃Bi₂X₉单晶不同组分的高分辨XRD摇摆曲线、FWHM变化以及外延与非外延生长的示意图

图6. 基于外延Cs₃Bi₂X₉单晶构建的光电探测器性能显著提升

In-Plane Adaptive Heteroepitaxy of 2D Cesium Bismuth Halides with Engineered Bandgaps on c-Sapphire

Zhenyu Liu, Wei Ju, Yongzheng Fang, Dingyue Sun, Xiaohong Zheng, Jingshan Hou, Ning Dai, Kenan Zhang, Yufeng Shan, Yufeng Liu

Adv. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adma.202413852

通讯作者简介

刘玉峰，教授、博导，上海应用技术大学材料学院副院长，九三学社上海市第十八届委员会科技专委会委员，入选上海市东方英才计划项目。本科与硕士毕业于湖南大学物理与微电子科学学院，2011年中国科学院上海技术物理研究所（红外物理国家重点实验室）获理学博士学位，同年进入中国科学院上海硅酸盐研究所工作，2014年人才引进到上海应用技术大学，目前主要从事半导体光探测器件，红外物理与器件，量子点发光材料与器件的理论与实验研究工作，相关研究成果发表SCI论文110篇，授权中国发明专利29项。主持承担国家自然科学基金联合基金重点项目、国家自然科学基金面上与青年基金等国家级项目11项，中科院创新基金、上海市自然科学基金面上项目和云南省基础研究重点专项等省部级项目9项，企业关键技术攻关项目3项，获中国产学研合作创新成果奖一等奖等奖项共2项，出版专著1部（上海交通大学出版社）。目前担任上海市半导体专业委员会理事，国际著名学术期刊Biosensors与Frontier of Physics客座主编、国内《红外与毫米波学报》、《物理科学与技术研究》期刊编委、国家自然科学基金委与上海市科委优秀学术/技术带头人项目评审专家、Advanced Science等二十余种国际SCI学术期刊审稿专家、上海市室内环境净化行业协会院士服务中心专家、上海应用技术大学知联会理事等国际和国内社会职务。

来源：X一MOL资讯