在半导体光探测技术领域，异质外延材料作为核心组件，其重要性不言而喻。然而，长期以来，这类材料在单一衬底上的异质外延过程因晶格匹配难题而备受挑战，常导致界面质量受损、晶体缺陷频发，成为技术发展的重大瓶颈。加之高昂的半导体生产设备与复杂的工艺技术要求，进一步限制了其广泛应用步伐。
近期，由上海应用技术大学材料科学与工程学院及上海市光探测材料与器件工程技术研究中心的刘玉峰教授领衔的研究团队，携手国科大杭州高等研究院与美国麻省理工学院（MIT）等国内外科研机构，在二维半导体材料的异质外延领域取得了突破性进展。团队创新性地提出了“面内自适应异质外延”策略，并成功在c面蓝宝石衬底上实现了二维半导体单晶材料的高取向外延生长。这一策略通过巧妙地调整晶体取向，实现30°旋转，有效平衡了压应力与拉应力，使得异质外延单晶与蓝宝石衬底间能够形成可控且容忍的界面应变，为解决晶格失配问题提供了新思路。
尤为值得一提的是，基于这一异质外延材料制备的光探测器件，在性能上显著超越了非外延器件。相关研究成果已在权威材料科学期刊Advanced Materials上在线发表，其中，研究生刘振宇（现南方科技大学在读博士生）担任第一作者，刘玉峰教授、房永征教授以及国科大杭州高等研究院的单玉凤博士共同担任通讯作者。实验数据表明，采用c面蓝宝石衬底上异质外延生长的单晶构建的光电探测器，在450纳米波长激光照射下，响应时间达到367.8微秒，探测率高达3.7×10¹² Jones，线性动态范围(LDR)更是高达113分贝，这些指标均远超传统基于玻璃衬底的器件。此外，该光电探测器还展现出极高的运行稳定性和长久的器件寿命，在多次开关循环及长时间测试中均保持优异表现。
此项研究不仅为新型半导体材料的异质外延生长提供了切实可行的实验方法，同时也为其在光探测器件等领域的应用奠定了坚实的理论与实验基础，预示着半导体光探测技术将迎来新的发展机遇。
In-Plane Adaptive Heteroepitaxy of 2D Cesium Bismuth Halides with Engineered Bandgaps on c-Sapphire
Zhenyu Liu, Wei Ju, Yongzheng Fang, Dingyue Sun, Xiaohong Zheng, Jingshan Hou, Ning Dai, Kenan Zhang, Yufeng Shan, Yufeng Liu
Adv. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adma.202413852
