科院金屬所鉬基雙異質(zhì)結(jié)光電探測器研究取得進展

  二維半導(dǎo)體材料具有原子級厚度及獨特的能帶結(jié)構(gòu)，在光電器件應(yīng)用領(lǐng)域具有優(yōu)勢。然而，二維材料通常光吸收較弱，且在光電轉(zhuǎn)換過程中，一個入射光子只能激發(fā)一個電子-空穴對，導(dǎo)致器件的光探測能力不高。一般來說，提高光增益有雪崩和光柵兩種方式：雪崩機制對材料能帶的匹配要求苛刻，且需在高偏置電壓下工作;而光柵機制由于電荷弛豫效應(yīng)，導(dǎo)致光電響應(yīng)速度顯著降低。

  中國科學(xué)院金屬研究所與國內(nèi)多家單位的科研團隊合作，提出了一種提高光增益的新方法，選擇合適溝道和電極材料進行能帶匹配，使其在光照下晶體管源、漏端的勢壘降低并形成正反饋，從而獲得超高靈敏度的二維材料光電探測器。7月2日，相關(guān)研究成果以《一種超靈敏的鉬基雙異質(zhì)結(jié)光電晶體管》(An ultrasensitive molybdenum-based double-heterojunction phototransistor)為題，在線發(fā)表在《自然-通訊》上。

  研究構(gòu)筑不同種類源漏電極的光電晶體管，氧化鉬為電極的器件光響應(yīng)是鈦/金(Ti/Au)電極器件的3-4個數(shù)量級(圖3)。結(jié)合對材料能帶結(jié)構(gòu)的光學(xué)表征和理論計算，科研人員還提出了雙異質(zhì)結(jié)光致勢壘降低機制的器件工作原理(圖4)，即在暗態(tài)下氧化鉬/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)形成大的肖特基勢壘，源端電子無法注入溝道中，實現(xiàn)了超低暗電流和噪聲。在光照條件下，電子-空穴對在源端耗盡區(qū)生成，隨后在內(nèi)建電場驅(qū)動下高效分離，載流子的濃度變化導(dǎo)致源端電子勢壘的降低，實現(xiàn)了電子注入和光增益;注入的電子又可降低漏端電子勢壘，增大光電流;而這進一步增強源極內(nèi)建電場，實現(xiàn)了雙異質(zhì)結(jié)間的正反饋效應(yīng)，獲得了超高響應(yīng)度和探測度。同時，由于不使用陷阱束縛電荷，器件還具有高響應(yīng)速度。該研究提出了一種具有普適性意義的提高光電探測器增益的方法，可推廣至其他二維材料體系，為未來構(gòu)建超靈敏光電探測器開辟了新思路。

  研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院、遼寧省興遼英才計劃、沈陽材料科學(xué)國家研究中心等的支持。

  論文鏈接 https://www.nature.com/articles/s41467-021-24397-x