近期，依托“光探測材料與器件”上海高水平地方高校創新團隊及上海市光探測材料與器件工程技術研究中心等高水平平臺，在國家重點研發計劃及國家自然科學基金重點項目的資助下， 上海應用技術大學材料科學與工程學院房永征、劉玉峰教授團隊與國科大杭州高等研究院及美國麻省理工學院（MIT）等國內外單位合作，在二維半導體材料異質外延方面取得重要進展。
隨著我國在高性能探測技術領域應用需求的持續增長，對新型光探測材料提出了更高要求。作為光電探測技術最核心材料之一，異質外延半導體材料因其優異的光電性能展現出廣闊的應用前景。然而，受晶格匹配限制，這些材料在單一襯底上的異質外延往往面臨較高的晶格應變，導致界面質量下降，晶體缺陷增加，面臨諸多“卡脖子”技術。同時，昂貴的半導體設備及復雜的半導體工藝技術限制了其廣泛應用。
研究團隊通過“面內自適應異質外延”策略，成功實現了二維半導體單晶材料在c面藍寶石襯底上的高取向外延生長。該方法通過晶體取向的30°旋轉，有效調控壓應力與拉應力，實現應變的可容忍性，使不同晶格常數的異質外延單晶與藍寶石襯底之間形成可控的界面應變。更重要的是，基于該異質外延材料的光探測器件較非外延器件展現出更優異的光探測性能。
圖1 半導體單晶在異質外延生長過程中的取向關系、界面應變和 晶格匹配情況
圖2 基于外延半導體單晶構建的光電探測器性能顯著提升
實驗結果表明，基于在c面藍寶石襯底上異質外延生長的異質外延單晶構建的光電探測器在450 nm波長的激光照射下，響應時間為367.8 μs，探測率達到3.7×10¹² Jones，線性動態范圍(LDR)高達113 dB，遠超傳統玻璃襯底器件。此外，該光電探測器在多次開關循環和長時間測試中保持穩定，展現出優異的運行可靠性和長的器件壽命，為新型半導體材料異質外延生長及其器件應用提供了新的實驗方法和理論支撐。
