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      中國科學院金屬所鉬基雙異質結光電探測器研究取得進展


        來源: 中國科學院金屬研究所 時間:2021-07-13 編輯:清風
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      二維半導體材料具有原子級厚度及獨特的能帶結構,在光電器件應用領域展現出優勢。然而,二維材料通常光吸收較弱,且在光電轉換過程中,一個入射光子只能激發一個電子-空穴對,導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,導致光電響應速度顯著降低。


      中國科學院金屬研究所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,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,在線發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。


      研究團隊使用二維二硫化鉬作為溝道材料、氧化鉬(α-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,構筑光電晶體管(圖1)。該晶體管展現出超高響應度(>10? A/W)、超高外量子效率(>10? %)、在二維材料光電探測器中最高的探測度(9.8×101? Jones)和超快光電響應速度(約100 μs)等優異的光電特性(圖2)。


      圖1 光電晶體管結構與性能。a、結構示意圖;b、原子力顯微鏡圖;c、器件截面透射電子顯微鏡圖;d、不同光強下的轉移特性曲線


      圖2 光電性能表征與評價。a、噪聲密度譜;b、響應度;c、外量子效率;d、信噪比;e、探測度;f、光響應速度;g、二維材料光電晶體管性能對比


      研究構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是鈦/金(Ti/Au)電極器件的3-4個數量級(圖3)。結合對材料能帶結構的光學表征和理論計算,科研人員還提出了雙異質結光致勢壘降低機制的器件工作原理(圖4),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,隨后在內建電場驅動下高效分離,載流子的濃度變化導致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;而這進一步增強源極內建電場,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,由于不使用陷阱束縛電荷,器件還具有高響應速度。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,為未來構建超靈敏光電探測器開辟了新思路。


      圖3 光增益正反饋工作機制。a、具有不同源漏電極的晶體管研究平臺:T1(Ti/Au, Ti/Au),T2(α-MoO3-x, Ti/Au),T3(Ti/Au, α-MoO3-x),T4 (α-MoO3-x, α-MoO3-x);b、光電晶體管在暗態(黑色)和光照(彩色)下的轉移特性曲線;c-d、器件光電流的空間分布響應圖


      圖4 雙異質結光致勢壘降低機制。a、氧化鉬退火前后的吸收光譜;b、氧化鉬的紫外光電子能譜;c、暗態下器件的能帶結構圖;d、暗態下器件的肖特基勢壘高度定量表征;e、光照下器件的能帶結構圖;f、光照下器件的肖特基勢壘高度定量表征;g、器件T1(Ti/Au, Ti/Au)的工作原理圖;h、器件T2(α-MoO3-x, Ti/Au)的工作原理圖;i、器件T3(Ti/Au,α-MoO3-x)的工作原理圖


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

      關鍵詞:光電探測器 半導體材料 光電器件    瀏覽量:9444

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