以下文章来源于低维 昂维 ，作者低维 昂维
研究背景
具有显著光电性能的2D半导体、绝缘和金属材料的组合为下一代光电探测器的开发提供了有前途的解决方案。然而，2D光电探测器的性能表征缺乏标准化，这使得许多报道难以提供客观和统一的性能比较。一方面，性能高估往往归因于2D材料的光学有效面积与传统材料相比难以确定。另一方面，通过激光源测量器件的光电流时，根据光斑轮廓估计高斯光束直径也会导致器件功率密度的计算误差。此外，暗电流下的噪声评价存在争议，响应时间参数的定义可能是模棱两可的。事实上，许多关于响应时间的报道都是基于不完全的方波周期，不能真实地反映光电探测器的速度。未定义且非标准的表征方法严重阻碍了2D光电探测器的发展，使得无法在不同材料和结构之间建立有效的光电探测器性能比较。
成果介绍
近日，中科院上海技物所胡伟达，王振和谢润章（共同通讯作者）团队提出了2D光电探测器性能指标表征的一般准则，并分析了比探测率、响应率、暗电流和速度可能被错误估计的常见情况。该研究指南有助于提高2D光电探测器的标准化和工业兼容性。文章以“How to characterize figures of merit of two-dimensional photodetectors”为题发表在著名期刊Nature Communications上。
图文导读
光电探测的物理机制对2D光电探测器性能的影响。（a-c）光电导效应，以及相应的I-V特性曲线和SPM扫描结果。（d-f）光伏效应，以及相应的I-V特性曲线和SPM扫描结果。（g-i）光热电效应，以及相应的I-V特性曲线和SPM扫描结果。（j&k）辐射热效应，以及相应的I-V特性曲线。（l）SPM结果的比例尺。
光电导效应是基于单一且均匀的半导体。相应的器件通常由半导体和相同的金属接触电极(图a)组成。在光照下，光产生的多余载流子需要在外部施加电压下驱动并被金属电极收集(图b)。扫描光电流显微镜(SPM)表征测量表明，在零施加电压下，金属-半导体界面附近检测到相反的光电流(图c)。光电导效应与半导体的带隙密切相关。
光伏效应的器件结构通常由一个pn结(图d)组成。光生电子-空穴对被pn结的内建电场分隔开。黑暗下的I-V曲线是指数。在光照下，出现非零开路电压和短路电流(图e)，电流主要分布在pn结区域(图f)。光响应波长由p型或n型半导体的带隙决定。
由于聚焦的可见光斑小于器件沟道的尺寸，该光可能导致沟道处的温度梯度。沟道不同部分或2D材料-金属界面之间的温差产生热电电流和电压(图g)。除了聚焦光照射外，当沟道不同部分的光吸收变化时产生温度梯度。光热电效应在黑暗和照明下的I-V曲线都是线性的(图h)。SPM测量表明，在整个沟道中产生相反的光电流，并从正到负变化(图i)。光响应不依赖于材料的带隙。
辐射热效应是由光照射温度敏感材料的电阻率增加或减少组成的(图j)。光电流只能通过施加外部偏置来观察，而不依赖于入射光的波长(图k)。
图1. 不同类型2D光电探测器的有效面积。（a）光电导光电探测器。（b）平面结光电探测器。（c&d）具有零和反向偏置的垂直结光电探测器。（e）焦平面光电探测器。（f）束腰w0=2.66 μm时高斯光束的场强。（g）平面波注入后器件上表面电场分布的波动光学模拟结果。（h）用高斯光束计算的吸收。
器件有效面积是对器件进行有效建模，进而得到器件各项性能指标的重要参数。经典的块材探测理论通常将器件有效面积分为光学有效面积Ad和电有效面积Ae。其中，几种电有效面积被定义为现象学参数，主要用于估计各类电噪声。例如，在估计器件的发热噪声和复合噪声时，通常取器件的总面积为Ae。又如，要估计器件的约翰逊噪声，必须定义有效结面积为Ae。2D器件有各种类型的材料和结构，当代对物理效应的理解限制了噪声模型在这些器件中的有效应用。虽然很方便，但Ae的估计可能是不准确的，如果条件允许，应该用噪声谱的测量来代替，以得出相关的优点数字。光学有效面积Ad，在其他文章中常记为Ao，在光电探测器的表征中起着两个主要作用：入射光功率由Ad乘以信号光功率密度得到，信号光与背景辐射对应的散粒噪声功率也与Ad成正比。背景辐射的散粒噪声决定了光电探测器在相应应用场景下比探测率的理论上限。但是，如果直接测量器件在背景辐射中的噪声，则Ad的唯一应用是推导信号光功率。由于2D器件种类、工作条件和测量方法丰富，虽然建议放弃Ae，但2D器件中光学有效面积的定义也需要进行分类，包括但不限于以下情况(图1)：
(i)对于光电导器件，在两个电极之间区域产生的光生电子-空穴对都能产生光电导效应，因此应取Ad为电极之间光电材料所覆盖的全部面积；
(ii)(ii)对于工作在零偏置或反偏置条件下的面内结器件，由于结的宽度难以准确估计，为了不造成较大误差，建议将Ad定义为电极之间光电材料所覆盖的全部面积；
(iii)对于工作在零偏置条件下的垂直结器件，大多数光电流成像结果表明，光电响应主要依赖于结面积。在不丧失一般性的前提下，在这种情况下，结区域的面积可视为Ad;
(iv)垂直结一旦工作在反偏置条件下，由于结外电位下降，将结面积作为其光学有效面积不再准确，需要将电极间所有材料的面积作为其Ad;
(v)对于平面阵列器件，需要将整个器件平铺平面作为Ad来计算响应率;
(vi)当聚焦光斑照射沟道宽度特别小的器件时，需要同时考虑光斑功率分布的不均匀性和器件的近场光学效应。
图2. 用扫描光电流成像表征有效面积。（a-e）光束居中于不同位置时响应分布的光电流成像。（f-k）累计成像信号的示意图。
如图2a-e所示，由于制造2D器件的自由度高，还可以通过电极顶点和边缘、天线和其他增强微结构有意地实现更大的Ad。为了有效地表征这类器件的有效面积，并分析背景辐射噪声对器件的影响，建议使用光电流成像方法。成像光电流是由光斑在器件不同位置激发的光电流强度的加权平均值。光斑的大小可能大于上述影响Ad效应的特征长度，特别是在红外中。如图2f-k所示，通过对光斑在器件区域上的精细扫描，还可以将每个位置光斑的光响应相加，从而可以更准确地包含天线效应和衍射效应。此外，光斑尺寸对有效面积的影响减弱。在表征中，很难完全避免激光源高斯光斑的不均匀性。通过增大光束腰半径，光斑在器件尺度上近似为均匀。
图3. 2D光电探测器的响应率和响应光谱测定。（a）单色激光源测量系统，激光光斑强度服从高斯分布。（b）研究者估计下光斑边缘的相对强度。（c）激光光斑尺寸和功率校准测量系统。（d）黑体辐射源的光子组成，且辐射分布符合普朗克定律。（e）光子探测器和热探测器的典型响应光谱。（f）FTIR测量系统的示意图。
响应率(R)定义为光电探测器的光电流或光电压与入射光功率的比值。目前，大多数2D光电探测器的光电流或光电压特性都是通过激光测量的，具有黑体响应的2D光电探测器鲜有报道。激光单色性较好，但光功率强度分布不均匀(图3a)。人工校准的激光功率强度存在许多测量误差和复杂的操作问题。需要注意的是，使用漫射激光光斑和人眼观测得到的光斑直径，再用归一化功率密度估计方法会引入严重的误差。一方面，由于心理物理的限制，人眼对功率的估计受诸多因素(环境亮度、光强变化梯度、光波长等)的影响，难以有效估计光斑直径。为了定量模拟不同研究者估计的影响，引入了IEdge/Imax比值。响应率相对值的计算消除了光束腰w02，并绘制在图3b中。另一方面，利用解析模型估计光斑直径时，光源参数的估计误差和光学系统误差也会降低估计功率密度的精度。这些不确定的来源很难通过使用更复杂的光学系统模型来消除。对于单色光的入射光功率密度，建议使用标准的商用光电探测器进行校准(图3c)。通过测量具有指定器件有效面积的标准商用光电探测器在不同输出功率下的响应，可以得到并校准特定空间位置的入射光功率密度。对于不同的输出信号，响应率的单位主要集中在V/W和A/W上，其中的单位可以通过一个跨阻Z换算。此外，量子效率是与响应率成正比的另一个重要参数，分为外量子效率(EQE)和内量子效率(IQE)。EQE定义为接触所收集的电子数与注入光子数之比。IQE由EQE除以吸收得到。
作为实际应用的测量标准，建议使用黑体辐射源来表征2D光电探测器的红外探测性能。图3e为黑体测量系统的示意图。根据辐射源的不同，可将响应率进一步分为光谱响应率和黑体响应率。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)测量系统和黑体测量系统可获得光电探测器的响应光谱。光子探测器的响应随入射光波长变化而变化，这可以用光电效应来解释。热探测器的响应取决于吸收的辐射功率，而吸收的辐射功率与波长无关，其光谱响应曲线为一条扁平线。
图4. 2D光电探测器暗电流的表征与分析。（a）典型的暗电流机制。（b）UV-VIS光电探测器暗电流的表征与分析。（c）典型光伏光电探测器在不同温度下的主导暗电流。（d）红外探测器动态电阻的表征与分析。（e）典型光伏探测器在不同温度下的动态电阻。
暗电流是光电探测器的一个本征特性参数，它是在光电探测器不受外界光辐射的情况下获得的。标准化暗电流-电压测量应使用冷屏蔽来抑制背景辐射。特别是对于窄带隙小于1.2 eV的2D红外探测器，暗电流容易受到背景辐射的干扰。因此，与I-V特性相比，Rd-V(Rd=dV/dI)更适合分析红外波段暗电流的主导成分，消除了背景辐射的干扰。图4a总结了四种典型的暗电流机制。随着基于结的光电探测器的反向偏置电压增加，扩散电流首先饱和，这反映了扩散极限的暗电流特性(包括g-r电流)。随着反向偏置继续增大，隧穿电流开始占主导地位，其次是冲击电离电流。利用计算机辅助设计(TCAD)仿真技术进行电学特性分析是提取不同暗电流分量的常用方法。图4b和c为2D紫外-可见(UV-VIS)光电探测器的暗电流分量与不同温度下主导暗电流的拟合分析图。图4d和e为2D红外探测器的动态电阻随偏置电压和温度的拟合分析结果。2D材料由于噪声成分复杂，难以直接从暗电流中估计噪声。此外，噪声和噪声相关的探测率是频率相关的量。因此，当忽略应用场景的频率和响应带宽时，讨论噪声和与噪声相关的探测率是没有实际意义的。
图5. 单次探测和成像探测场景下不同噪声条件对D*的影响。（a）单次探测中具有不同响应带宽的光电探测器的噪声和响应特性。（b）单次探测中基于噪声特性的比探测率高估。（c）成像探测中光电探测器的噪声和响应特性。（d）成像探测中基于噪声特性的比探测率高估。
图5显示了单次探测和成像探测两种场景下不同噪声条件对D*的影响。图5a和b给出了不同响应带宽下2D光电探测器的D*高估情况。只有当光电探测器响应于高频时，才能用热噪声和散粒噪声的白噪声来估计器件噪声。特别是对于高光电栅控增益的光电探测器，其响应带宽受增益带宽积的限制，其g-r噪声与混合在低频噪声中的光电导增益成正比。因此，忽略1/f噪声和g-r噪声将大大导致超出背景限制性能(BLIP)的高估D*。图5c和d为焦平面成像应用中的响应率、噪声和D *。在此，不同像素之间和不同帧内同一像素之间噪声引起的信号幅度波动都会导致成像质量下降。最常用的焦平面阵列成像方式是经过一段时间的积分后读出信号，相当于对噪声进行了低通滤波。信号集成过程将滤除高频噪声。因此，在计算器件噪声时，只需要对工作频率及以下的噪声进行积分。在对用于工程应用的焦平面器件进行测试时，通常将不同帧内所有像素的信号波动直接视为噪声。
图6. 2D光电探测器的时间参数和增益测定。（a）计算的下降时间没有达到一个稳定的值，这是不准确的。（b）光电探测器的响应时间测量在脉冲信号下可能达不到稳定值，导致测量结果不准确。（c）光电导光电探测器的光电流和响应度随入射光功率密度的变化。（d）光电探测器的上升和下降响应时间应从一个完整的周期信号计算。（e）光电探测器的典型-3 dB带宽响应曲线。（f）各种光电探测器的增益带宽积。
对于2D光电探测器的时间参数，光电探测器输出电流上升到稳定响应值或下降到辐照前响应值所需的时间为响应时间(τ)。上升时间(τr)是光电流从10%增加到90%所需的时间，下降时间(τf)是光电流从90%减少到10%所需的时间(图6d)。在测量光电探测器的响应时间时，上升时间和下降时间不是从一个完整的响应周期信号中计算出来的，或者输出的响应信号没有上升或下降到一个稳定的值(图6a和b)。光电探测器的响应信号可能不是稳定的响应值，这不是一个标准化的测量，可能导致结果的低估。或者，光电探测器的响应时间可以由光电探测器的响应带宽导出。对于大多数光电探测器，响应率随着入射光频率增加而衰减。将响应率降低到0.707倍的频率定义为截止频率fc(图6e)。响应带宽fc也称为-3 dB带宽。光电导探测器的增益与载流子寿命成正比，而响应带宽与载流子寿命成反比(图6c)。因此，受光电导效应主导的光电探测器的增益带宽积受到限制(图6f)。通常，具有增益优势的光电晶体管可以综合考虑以下两个过程：光生载流子的产生到复合过程以及由光生载流子分布产生的沟道电导调节过程。光电探测器的最终响应带宽最终取决于两个过程中较小的带宽。
总结与展望
本文重点研究了如何表征2D光电探测器的性能指标。通过机理分析和性能评价，发现2D光电探测器的比探测率经常被高估，这主要是由于噪声计算不当、器件有源面积和入射光功率密度估计错误。此外，测量响应率的带宽不一致和噪声是探测率高估的另一个主要原因。本文讨论了测量2D光电探测器响应时间和响应带宽的最佳方法。本综述为2D光电探测器的标准化表征提供了实用指南，有利于不同器件性能的比较。同时，该方案将有助于促进2D光电探测器在工业领域的快速发展。
文献信息
How to characterize figures of merit of two-dimensional photodetectors
(Nat. Commun., 2023, DOI:10.1038/s41467-023-37635-1)
文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37635-1
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