光電探測器是多種光學和光電應用的核心器件，近日，中國科學院長春光機所發光學及應用國家重點實驗室黎大兵研究員、李紹娟研究員與新加坡國立大學仇成偉教授、電子科技大學魏靜軒教授合作，報道了一種創新的方法來同步提升光電探測器的響應度和響應速度，為解決探測器響應度和速度相互制衡的領域難題提供了一種新的策略。相關成果以標題為“Photogating－assisted tunneling boosts the responsivity and speedof heterogeneous WSe2/Ta2NiSe5 photodetectors?”發表在Nature Communications上。
近年來，光子集成電路、物聯網、自動化等新興技術的高速發展推動著光電探測器向著高性能、低功耗和多功能的方向變革。以石墨烯為代表的二維材料具有強的光－物質相互作用、可調帶隙以及原子級銳利異質界面等優勢，此外，與現有半導體產線之間具有很好的兼容性，為實現高性能的光電探測器件提供了一個豐富研究平臺。迄今為止，光柵壓效應是實現高響應度二維材料光電探測器的主要工作機制，可以實現超高的響應度（103-107 A/W）。然而，由于材料內部的缺陷態對光生載流子的俘獲，導致了長的載流子壽命，從而犧牲了器件的響應速度（通常在毫秒范圍），極大地限制了器件在成像等方面的實際應用。截至目前，如何克服響應度和速度之間的權衡問題并拓展光電探測器的功能仍然非常具有挑戰性。
研究團隊從增益的底層物理出發，從一個新的角度報道了一種WSe2/Ta2NiSe5異質結光電探測器，提出的新的物理機制—光柵壓輔助隧穿效應—可以同時提高光探測增益和響應速度。一方面載流子隧穿過程可以大大縮短器件的傳輸時間，顯著提高光電探測增益，可以實現較高的響應度（103 A/W）。另一方面，通過調控材料內部的陷阱態，也可以縮短載流子壽命，從而實現較快的響應速度（～1μs）。因此同步的調控了光生載流子壽命和渡越時間，改善了器件響應度和速度之間的權衡的問題。
圖1．二維異質結構光電探測器中的偏置可調傳輸行為。a，二維材料光電探測器響應度和速度之間權衡的圖示。b，WSe2/Ta2NiSe5異質結構器件示意圖。c，暗態下器件的源極－漏極 I－V曲線。d，在白光源照射下，器件在不同源漏偏壓Vds下的轉移曲線（Ids-Vgs）。
在器件功能方面，由于Ta2NiSe5材料具有面內各向異性的晶體結構，導致其光生載流子的數量對入射光的偏振方向敏感，體現出偏振各向異性響應。此外，施加的源－漏極偏置可以改變器件在光柵壓過程中光生載流子的散射，導致器件的各向異性光響應是偏置可調和波長敏感的。進一步，在簡單的雙電極配置條件下，利用器件的光響應對偏壓和波長的依賴性使我們有望通過掃描偏壓來區分不同的波長，在波長分辨等方面的應用具有巨大的發展前景。
圖2．WSe2/Ta2NiSe5異質結中光柵壓誘導的偏振光響應和波長分辨能力。a-b，不同偏壓Vds?下1310nm照明下的偏振光電流彩色圖。WSe2／Ta2NiSe5光電探測器的光響應可以通過Vds和入射光偏振角θ進行調節。c，1310nm 照明下的偏振光電流。不同偏壓下的光電流表現出與偏振角θ相同的依賴性。d，從偏振光電流中提取的偏振敏感部分R1 (Vds, l)。?R1取決于偏置電壓Vds和入射光波長l。e，各向異性比率β，R1/R0，從偏振光電流的偏振不敏感（R0）和敏感（R1）中提取。f，計算不同波長之間的相關矩陣，相關系數corr{R1(Vds, l=l1), R1(Vds, l=l2)} ，其中l1 和 l2是兩個不同的波長。
相關工作成果解決了響應度和速度之間的權衡，并實現寬帶可波長分辨的偏振光電探測，為探索新穎的偏振成像、高對比度偏振器、小型光譜儀等片上光電應用提供了可能性。
中國科學院長春光學精密機械與物理研究所是本研究論文的第一通訊單位，中國科學院長春光機所黎大兵研究員、李紹娟研究員、新加坡國立大學仇成偉教授為論文共同通訊作者。中國科學院長春光機所博士生劉明秀，電子科技大學魏靜軒教授，中國科學院長春光機所助理研究員戚劉健，為論文共同第一作者。該研究工作得到了國家自然科學基金委創新群體、國家自然科學基金優秀青年科學基金、科技部重點研發計劃等項目的資助。
