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新聞 & 事件
中國科學院金屬研究所高效光電探測器研究取得新突破
2021-07-10

由於具有原子級厚度及獨特的能帶結構,二維半導體材料在光電器件應用領域展現出獨特的優勢。然而,二維材料通常光吸收較弱,且在光電轉換過程中,一個入射光子隻能激發一個電子-空穴對,導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:雪崩機製對材料能帶的匹配要求苛刻,且需在高偏置電壓下工作。而光柵機製由於電荷弛豫效應,會導致光電響應速度顯著降低。

中國科學院金屬研究所科研人員與國內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,他們通過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、漏端的勢壘降低並形成正反饋,從而獲得了超高靈敏度的二維材料光電探測器。相關研究成果以 “一種超靈敏的鉬基雙異質結光電晶體管” (An ultrasensitive molybdenum-based double-heterojunction phototransistor)為題於7月2日在《自然·通訊》(Nature Communications)上在線發表。

該團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/氧化鉬雙異質結,構築了光電晶體管。該晶體管展現出超高響應度(>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)和超快光電響應速度(約100 μs)等諸多優異的光電特性。

他們構築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是金屬電極(Ti/Au)器件的3-4個數量級。結合對材料能帶結構的光學表征和理論計算,他們還提出了雙異質結光致勢壘降低機製的器件工作原理,即在暗態下氧化鉬-二硫化鉬異質結形成大的肖特基勢壘,源端電子無法注入到溝道中,實現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生成,隨後在內建電場驅動下高效分離,載流子的濃度變化導致了源端電子勢壘的降低,實現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,而這又進一步增強源極內建電場,從而實現了雙異質結間的正反饋效應,獲得了超高響應度和探測度。同時由於不使用陷阱束縛電荷,器件還具有高響應速度。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係,為未來構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基金委、中科院、遼寧省興遼英才計劃和沈陽材料科學國家研究中心等項目支持。

(中國日報遼寧記者站)