由于具有原子級厚度及獨特的能帶結(jié)構(gòu)，二維半導(dǎo)體材料在光電器件應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的優(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，因此提高光增益性以提高探測靈敏度一直是研究的熱點問題。一般來說，提高光增益主要有雪崩和光柵兩種方式：雪崩機(jī)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(jī)制由于電荷弛豫效應(yīng)，會導(dǎo)致光電響應(yīng)速度顯著降低。

中國科學(xué)院金屬研究所科研人員與國內(nèi)多家單位的科研團(tuán)隊合作，提出了一種提高光增益的新方法，他們通過選擇合適溝道和電極材料進(jìn)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，從而獲得了超高靈敏度的二維材料光電探測器。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）為題于7月2日在《自然·通訊》（Nature Communications）上在線發(fā)表。

該團(tuán)隊使用二維二硫化鉬作為溝道材料、氧化鉬（a-MoO3-x）為電極材料，在晶體管源端和漏端形成了二硫化鉬/氧化鉬雙異質(zhì)結(jié)，構(gòu)筑了光電晶體管。該晶體管展現(xiàn)出超高響應(yīng)度（＞105 A/W）、超高外量子效率（＞107 %）、在二維材料光電探測器中最高的探測度（9.8×1016 Jones）和超快光電響應(yīng)速度（約100 μs）等諸多優(yōu)異的光電特性。

他們構(gòu)筑了具有不同種類源漏電極的光電晶體管，其中氧化鉬為電極的器件光響應(yīng)是金屬電極（Ti/Au）器件的3-4個數(shù)量級。結(jié)合對材料能帶結(jié)構(gòu)的光學(xué)表征和理論計算，他們還提出了雙異質(zhì)結(jié)光致勢壘降低機(jī)制的器件工作原理，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，源端電子無法注入到溝道中，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)致了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，而這又進(jìn)一步增強(qiáng)源極內(nèi)建電場，從而實現(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。該工作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。

馮順博士研究生、劉馳項目研究員為文章共同第一作者，孫東明研究員、成會明院士、尹利長研究員和南京大學(xué)王肖沐教授為文章共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院、遼寧省興遼英才計劃和沈陽材料科學(xué)國家研究中心等項目支持。

（中國日報遼寧記者站）

來源：中國日報網(wǎng)