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Nature Materials：拓扑半金属光电探测器

2020-08-02 09:31

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创长光所Light中心中国光学

撰稿 | Rain 博士生（清华大学）

导读

光电探测器(PDs)是现代通信与传感系统的关键元件，利用光电或光热等效应将光信号转化为电信号。半金属是指导带和价带之间相隔很窄的材料，能带宽度介于金属和半导体之间，费米能级附近电子的态密度接近于零，没有带隙。

在可见光和近红外波段，利用半导体材料制作高性能、低成本、集成程度高的PDs的技术已经成熟，但是可应用于光子能量较低的中远红外波段的PDs仍面临许多挑战。

近日，来自天津大学、耶鲁大学、卡耐基梅隆大学等的研究人员，在 Nature Materials 上发表了关于半金属材料高性能光电探测的“Perspective”型文章，指出半金属材料在低能、高速光电探测中具有独特优势，但也存在具有较高暗电流噪声的缺陷。作者展望了利用石墨烯等半金属拓扑材料解决这一问题的前景，总结了近期的相关进展，也讨论了未来的机遇和挑战。

研究背景

在可见光和近红外波段，利用硅、锗等元素半导体和砷化镓、磷化铟等化合物半导体，高性能、低成本、集成程度高的PDs的技术已经成熟。但是可应用于光子能量较低的中远红外波段的PDs仍面临许多挑战，限制了它在自动驾驶、夜间成像、气体传感、运动检测等领域的应用。现有的商用中红外光电探测器存在着成本高、难以集成、室温不可用或探测速度慢等问题。目前，需要高速、高灵敏度、易于集成、室温可用的PDs以应对高通量红外光谱仪、高速成像等中红外乃至太赫兹波段光电探测的需求。

PDs根据原理分为光电效应类探测器(photon-typedetectors)和光热效应类探测器(thermal-type detectors)。前者的原理基于光激发电子-空穴对的直接产生，后者的原理基于热载流子对电子和晶格温度的改变。

一般来说，光热效应类探测器波长不敏感，响应速度慢，成本较低；光电效应类探测器信噪比高，响应速度快，但价格较贵，且通常需要低温冷却以减少热产生的载流子，因此存在体积大、耗电量大、器件脆弱的弊端。

所以，如何开发高性能、低能量、无需低温冷却的光子探测器仍是一个挑战。半金属材料在超快操作下实现高灵敏度、低能量光电探测中具有独特优势。

图1 半导体和半金属PDs的对比。

a.反向偏置下的的PIN光电二极管；b.半导体中光生载流子的产生与复合；c.基于半金属材料的叉指型场效应管；d.半金属重叠带隙内光生载流子的产生与复合，通过电子-电子散射可达到ps量级。

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

半金属与半导体的比较

图1对比了半金属和半导体PDs的工作机制和材料的能带中光生载流子的产生与符合方式。由于半金属材料没有带隙，光子能量可探测范围可达到低能端。半金属重叠带隙内光生载流子的产生与复合，可通过电子-电子散射可达到ps量级，从而提高半金属探测器的运行速度。

但无带隙结构使半金属室温下暗电流噪声较大，PDs需要在无偏置模式下工作来降低暗电流(如图1c所示)，只能通过其他效率较低的机制来实现电荷分离，如内置电场、光热电（PTE）效应或光登伯（photo-Dember）效应。半金属中光生载流子短暂的瞬态寿命进一步加剧了电荷分离问题，使光探测响应率较低。因此，半金属材料对快速的电荷分离机制有强烈需求。

半金属光电探测器的发展

由于半金属材料外加偏置电压后有较高的暗电流，降低探测灵敏度，所以它们并不是传统观点中认为的可以用作光电探测的材料。但是，十年前研究人员提出的石墨烯场效应晶体管PD证明了在宽波长范围内使用金属材料进行高速探测的可行性。在此之后，大量关于半金属光电探测的研究涌现出来，展现了半金属材料下至远红外光谱范围的宽带光响应能力和极快响应速度，解决了PDs在该波段的探测困难。

石墨烯与CMOS工艺兼容，可与柔性电子集成，并可与其他材料混合集成。但是能带结构和无偏置模式限制了石墨烯PDs的响应率。除了响应率，PDs的灵敏度还与噪声电流和量子效率（QE）相关。

拓扑半金属材料的应用是近期关于提高半金属PDs响应率的研究热点。拓扑半金属材料是指有拓扑非常规电子能带结构的非金属材料。一种直接的方法是用3D Dirac半金属，如Cd3As2，代替石墨烯（2D Dirac半金属），在不损失宽带响应和超高速的前提下改善响应率。

拓扑结构与光电探测

拓扑Weyl半金属是可以显著增强PDs光电响应的拓扑半金属材料之一。其承载的Weyl费米子沿着与自旋矩平行或反平行的方向运动，可以看作由四重简并的狄拉克费米子退简并为两个手性相反的二重简并态。Weyl费米子的能量与动量成正比，在能量动量空间中形成了一个锥形结构。

拓扑半金属的一些拓扑效应可以极大改善PDs的光响应。以Weyl半金属为例，这些材料承载沿与自旋力矩平行或反平行的方向传播的Weyl费米子，定义了一个特定的Weyl锥的手性。Weyl费米子的能量与其动量成正比，形成锥形能量动量空间中的结构（图2a）。最重要的是，每个手性Weyl节点都可以看作是Berry通量场的“单极子”，是动量空间中的有效磁场（图2b）。这些磁单极子直接影响电子运动并导致了光学响应中各种有趣的拓扑效应。如与移位电流响应有关的效应，由非中心对称材料的带间光激发过程中电荷中心的位移引起，固有地构成与半导体PN结不同的产生光电流的方式。在半导体PN结中，内置电场分离电子和空穴。而Weyl半金属仲电荷中心的位移可以表示为Berry连接的变化，产生Berry通量场和速度算子相位的矢量势，以及相应的电导率张量在Weyl节点附近被激发时会大大增强（图2c）。最近，这种拓扑增强效应已在I型TaAs和II型TaIrTe4中得到了实验验证。

图2 Weyl半金属中位移电流响应的拓扑增强

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

在低功率下获得的大响应度表明，由于位移电流响应而引起的电荷分离机制非常有效。该机制固有的超快特性，可用于克服半金属PDs中低响应率的问题。但是，由设备中的势垒引起的开启阈值可能成为限制检测能力的另一个问题。

技术与挑战

拓扑半金属PDs面临的技术挑战首先是如何确定理想的光电探测材料。高性能的器件依赖于高质量的材料增长，但拓扑半金属仍然难以生产，它们与CMOS晶片的兼容也是一个问题。其次是从器件设计者的角度，器件设计中需要特别考虑无外部电压偏置和拓扑效应的影响。第三是片上拓扑集成，集成不再是简单地将多个设备的现有功能叠加到一起，更重要的是产生以前不存在的功能。

拓扑效应增强光电探测的机遇

半金属拓扑物理是未来解决低能量光电探测瓶颈的有效途径。拓扑材料中的对称性也可以通过对其边缘和界面的设计加以利用。另外可能的手段是使用边界状态进一步增强边界上光与物质的相互作用。此外，拓扑效应可能提供对特定量子自由度的控制，如与手性相关的Weyl锥的圆形选择规则有助于区分光的螺旋性，从而实现对Weyl半金属和手性费米子材料螺旋敏感的PDs。

作为一个新兴领域，半金属的拓扑效应为光电探测提供了一个鼓舞人心的平台。手性，量子几何效应和表面态与非常规量子自由度的相互作用可以产生许多有趣的光学效应。范德华材料的堆叠为半金属材料提供了额外的自由度。图3中列举了其中几种半金属PDs的发展机遇。随着人们对通过拓扑增强Weyl半金属的位移电流响应的关注，可以预见光电检测关键问题的拓扑解决方案，而这可能会成为拓扑物理的早期商业应用，让我们拭目以待。