郑州大学单崇新教授、吴翟教授、苏州大学揭建胜教授研究团队：芯片集成的低温生长2DPdTe2狄拉克半金属实现非制冷中红外传感

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郑州大学单崇新教授、吴翟教授（共同通讯作者）、苏州大学揭建胜教授等研究团队合作使用低温自缝合外延(SSE)方法展示了英寸级2D PdTe₂狄拉克半金属。两种前驱体之间的低形成能有利于低温多点成核(~300 ℃)、长大和合并，导致PdTe₂晶畴自缝合成连续薄膜，这与后端线(BEOL)技术高度兼容。基于非制冷片上PdTe₂/Si肖特基结的光电探测器表现出高达10.6 μm的超宽带光响应，具有很高的比探测率。此外，高度集成的器件阵列具有高分辨率的室温成像能力，并且该器件可以作为红外光通信的光数据接收器。该研究为用于非制冷MIR传感的2D半金属的低温生长铺平了道路。文章以“Uncooled Mid-Infrared Sensing Enabled by Chip-Integrated Low Temperature-Grown 2D PdTe₂Dirac Semimetal”为题发表在Nano Letters期刊上。

研究背景

非制冷中红外(MIR)光探测和成像由于其在天文学、量子信息、光学雷达、医学诊断等广泛应用。具有高集成度和小型化的片上光电探测器是这些先进技术的核心。最先进的IR传感器主要是由In_1-xGa_xAs，InSb和Hg_1-xCd_xTe制成的半导体探测器。然而，这些半导体材料的生长通常加工温度>600 ℃和需要严格的晶格匹配，这使它们与Si CMOS技术的集成带来了巨大的困难。此外，光电探测器的操作需要使用昂贵和复杂的冷却设备。

可喜的是，近年来在非晶锗沉积和石墨烯转移方面的研究取得了不错的进展。这些方法为片上光探测应用中红外吸收材料生长的衬底独立性提供了潜在的解决方案。但是，低晶体质量和界面杂质污染导致光电探测性能严重下降。这些缺点极大地阻碍了高集成度和小型化下一代片上光电器件的实现。

2D过渡金属硫族化合物(TMDs)材料具有非凡的电学和光电子性质，在先进的红外光探测技术中显示出初步的前景。PdTe₂是一种新近被重新发现的II型狄拉克半金属，它拥有一个极大倾斜的狄拉克锥、高载流子迁移率、半导体到半金属的转变，以及从紫外到太赫兹范围内的宽光吸收。

但是，有限的横向尺寸(<100 μm)和薄膜的不连续性极大地限制了PdTe₂基光电探测器在实际应用中的大规模集成。此外，由于生长温度高，远远超出了后端线(BEOL)集成的兼容极限(<400 ℃)，因此在Si CMOS电路上原位制造2D层状材料是不切实际的。因此，开发一种可行的方法使PdTe₂在更低的温度下生长至关重要。

研究内容

在本文中，郑州大学单崇新教授、吴翟教授、苏州大学揭建胜教授联合的研究团队开发了一种低温vdW SSE方法，用于在相对较低的温度(~300 ℃)下大面积制造厚度可控的2D PdTe₂层，展示了与BEOL技术的高兼容性。另外，本文成功地制造了一个基于PdTe2/Si肖特基结具有64个功能光电探测器的单片集成器件阵列，其超宽带探测范围高达10.6 μm，响应速度快至1.5 μs，比探测率高达~10⁹Jones，优于大多数基于2D TMD或3D半导体材料的红外光电探测器。此外，展示了具有高分辨率和出色像素均匀性的肖特基结器件阵列的非冷却MIR成像能力。肖特基结器件也可以作为光学数据接收器用于红外光通信应用的概念验证演示。本文的工作为开发基于2D半金属的非制冷片上MIR传感器提供了新的机会。

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