快速响应光电探测器在光通信、高速摄影、生物医学成像等领域有广泛的需求。目前, 市场上应用的快速响应光电探测器大多基于硅、砷化镓等传统的无机半导体材料, 但是其制作工艺复杂、成本较高, 并且机械灵活性差。以石墨烯、二硫化钼为代表的二维材料具有独特的层状结构以及良好的光学、电学、热学和机械特性, 是制备光电探测器的理想材料。尤其是部分二维材料所拥有的超高载流子迁移率特性, 十分适用于研制快速响应光电探测器。近年来, 一系列基于二维材料的金属-半导体-金属结构光电探测器(Metal-semiconductor-metal photodetectors,MSM-PDs)被陆续报道, 很多具有1 μs以下的快速响应特性。本文以基于二维材料的快速响应MSM-PDs为主题进行综述。首先介绍了MSM-PDs中的基本结构及工作原理, 深入剖析了决定其响应速度的主要因素。随后介绍了石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷、二维钙钛矿、三元硒氧铋等二维材料的分子结构、光学、电学等特性, 并对各类二维材料在MSM-PDs的应用进行对比。然后分类介绍了响应速度在1 μs以下的欧姆接触型、肖特基接触型以及基于表面等离激元效应二维材料MSM-PDs的研究进展。最后总结全文, 并对二维材料在快速响应光电探测器中的应用前景及发展趋势进行了展望。

通过射频磁控溅射技术,成功制备了具有金属-半导体-金属(MSM)结构的ZnO紫外光电探测器。研究了外加偏压对探测器响应度和截止波长的影响。随着偏压的增大,器件的响应度逐渐增加并且趋于饱和,探测器的响应截止波长红移了12 nm。这是电场引起的耗尽层的展宽以及带隙倾斜造成的。提出了一种利用外加偏压控制探测器截止波长的有效方法,该方法对紫外光电探测器的进一步研究和应用具有重要意义。

目前,光器件在硅基衬底上的集成是光电领域的研究热点。将基于表面张力的流体自组装技术应用于薄膜金属-半导体-金属(MSM)光探测器的集成上,其集成效果的优劣与器件绑定点的几何形状有关。为了有效预测薄膜MSM光探测器绑定点的间距和形状对集成效果的影响,利用MATLAB对其集成过程中表面自由能的分布状况进行了仿真分析。首先,在介绍薄膜MSM光探测器的基础上,对其集成过程建立了平移和旋转仿真模型。然后,根据表面自由能与匹配度的线性关系,分别仿真出了不同间距和形状的绑定点在集成过程中匹配度的分布状况图。通过分析匹配度的斜率以及正确装配状态和误装配状态之间的关系,预测两端绑定点间距较长、绑定点形状为梯形时集成效果较好。最后,考虑到薄膜光电器件有可能需要区分正负极的情况,将其两端绑定点设计成不对称形状并进行仿真分析,尽量避免集成过程中出现正负极反接的状态。

制备了金属-半导体-金属(MSM)结构的AlGaN/GaN异质结紫外探测器，探测器采用Ni/Au金属作为电极。实验研究了探测器的光电响应特性和I-V特性。此探测器具有两个光谱响应范围，光谱响应的峰值响应率分别为288 nm处0.717 A/W 和366 nm处0.641 A/W，峰值处的量子效率分别为288 nm处308% 和366 nm处217%。

利用脉冲激光沉积(PLD)法在Si(111)衬底上分别生长了ZnO薄膜和Cu薄膜， 用Cu薄膜作电极，研究了ZnO薄膜与Cu薄膜的接触特性。分别用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和I-V测试的方法对样品的晶体质量、结构和电学性质进行了测试。结果表明：样品中ZnO薄膜和Cu薄膜均具有高度的择优取向；当Cu和 ZnO直接接触时，样品的I-V特性是非线性的；当Cu和 ZnO之间通过ZnO∶Cu层间接接触时形成良好的欧姆接触，而且退火后欧姆接触性能明显提高，电阻率降低约2/3。本研究为价格低廉的Cu电极成为ZnO基器件的欧姆电极提供了一定的依据。

采用射频磁控溅射，通过传统的紫外曝光和湿法腐蚀的方法，制备了不同电极间距的金属半导体金属(MSM)结构Mg0.2Zn0.8O可见盲光电探测器。研究了器件的暗电流和响应度随电极间距的变化关系，当施加的电压没有达到贯穿电压的时候，暗电流和响应度均随着电极间距的增加而减小，并对其具体的机制进行了研究。

基于国内的材料生产和半导体工艺条件,研制了10 Gb/s光电集成(OEIC)光接收机前端,并采用耗尽型赝配高电子迁移晶体管(PHEMT)设计并实现了限幅放大器。光接收机前端组成形式为金属-半导体-金属(MSM)光探测器和电流模跨阻放大器,借助模拟软件SILVACO建立并优化了器件模型,探测器光敏面50 μm×50 μm,带宽超过10 GHz,电容约3 fF/μm。研究并改进了腐蚀自停止工艺并实际应用于OEIC器件制作,芯片面积为1511 μm×666 μm。限幅放大器采用无源电感扩展带宽,并借助三维电磁仿真软件HFSS进行模拟仿真。限幅放大器芯片面积为1950 μm×1910 μm,在3.125 Gb/s传输速率下,分别输入信号幅度为10和500 mV,可以得到500 mV恒定输出摆幅。

采用直流反应磁控溅射的方法制备ZnO薄膜, 用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和紫外-可见光谱仪(UV-Vis)分别表征ZnO薄膜的晶体结构和表面形貌等特征。并用此材料制备Au/ZnO/Au金属-半导体-金属(MSM)结构光电导型ZnO薄膜紫外光探测器。实验结果表明, ZnO探测器在360 nm出现明显光响应,其光电流为2.5 mA, 在5 V偏置电压下暗电流为250 μA; ZnO紫外探测器在250～380 nm的紫外波段, 探测器有很明显的光响应, 且光电流响应比较平坦; 在380～430 nm区域, 光响应明显下降; 其光响应的上升与下降弛豫时间分别为20 s与80 s。从光谱响应图中可以看出紫外(360 nm)比可见区(450 nm)的光响应高出3个数量级, 薄膜表面存在的缺陷(如氧空位)在ZnO紫外探测器的光电效应中有重要作用。

The current-voltage (I-V) characteristics of 4H-SiC metal-semiconductor-metal (MSM) ultraviolet photodetector with different finger widths and spacings, different carrier concentrations and thicknesses of n-type epitaxial layer are simulated. The simulation results indicate that the dark current and the photocurrent both increase when the finger width increases. But the effect of finger width on the dark current is more significant. On the other hand, the effect of finger spacing on the photocurrent is more significant. When the finger spacing increases, the photocurrent decreases and the dark current is almost changeless. In addition, it is found that the smaller the carrier concentration of n-type epitaxial layer is, the smaller the dark current and the larger the photocurrent will be. It is also found that I-V characteristics of MSM detector also depend on the epitaxial layer thickness. The dark current of detector is smaller and the photocurrent is larger when the epitaxial layer thickness is about 3 \mum.