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中国科学院金属所钼基双异质结光电探测器研究取得进展


  来源: 中国科学院金属研究所 时间:2021-07-13 编辑:清风
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二维半导体材料具有原子级厚度及独特的能带结构,在光电器件应用领域展现出优势。然而,二维材料通常光吸收较弱,且在光电转换过程中,一个入射光子只能激发一个电子-空穴对,导致器件的光探测能力不高。一般来说,提高光增益有雪崩和光栅两种方式:雪崩机制对材料能带的匹配要求苛刻,且需在高偏置电压下工作;而光栅机制由于电荷弛豫效应,导致光电响应速度显著降低。


中国科学院金属研究所与国内多家单位的科研团队合作,提出了一种提高光增益的新方法,选择合适沟道和电极材料进行能带匹配,使其在光照下晶体管源、漏端的势垒降低并形成正反馈,从而获得超高灵敏度的二维材料光电探测器。7月2日,相关研究成果以《一种超灵敏的钼基双异质结光电晶体管》(An ultrasensitive molybdenum-based double-heterojunction phototransistor)为题,在线发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。


研究团队使用二维二硫化钼作为沟道材料、氧化钼(α-MoO3-x)为电极材料,在晶体管源端和漏端形成了二硫化钼/氧化钼双异质结,构筑光电晶体管(图1)。该晶体管展现出超高响应度(>10⁵ A/W)、超高外量子效率(>10⁷ %)、在二维材料光电探测器中最高的探测度(9.8×10¹⁶ Jones)和超快光电响应速度(约100 μs)等优异的光电特性(图2)。


图1 光电晶体管结构与性能。a、结构示意图;b、原子力显微镜图;c、器件截面透射电子显微镜图;d、不同光强下的转移特性曲线


图2 光电性能表征与评价。a、噪声密度谱;b、响应度;c、外量子效率;d、信噪比;e、探测度;f、光响应速度;g、二维材料光电晶体管性能对比


研究构筑不同种类源漏电极的光电晶体管,氧化钼为电极的器件光响应是钛/金(Ti/Au)电极器件的3-4个数量级(图3)。结合对材料能带结构的光学表征和理论计算,科研人员还提出了双异质结光致势垒降低机制的器件工作原理(图4),即在暗态下氧化钼/二硫化钼异质结形成大的肖特基势垒,源端电子无法注入沟道中,实现了超低暗电流和噪声。在光照条件下,电子-空穴对在源端耗尽区生成,随后在内建电场驱动下高效分离,载流子的浓度变化导致源端电子势垒的降低,实现了电子注入和光增益;注入的电子又可降低漏端电子势垒,增大光电流;而这进一步增强源极内建电场,实现了双异质结间的正反馈效应,获得了超高响应度和探测度。同时,由于不使用陷阱束缚电荷,器件还具有高响应速度。该研究提出了一种具有普适性意义的提高光电探测器增益的方法,可推广至其他二维材料体系,为未来构建超灵敏光电探测器开辟了新思路。


图3 光增益正反馈工作机制。a、具有不同源漏电极的晶体管研究平台: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、光电晶体管在暗态(黑色)和光照(彩色)下的转移特性曲线;c-d、器件光电流的空间分布响应图


图4 双异质结光致势垒降低机制。a、氧化钼退火前后的吸收光谱;b、氧化钼的紫外光电子能谱;c、暗态下器件的能带结构图;d、暗态下器件的肖特基势垒高度定量表征;e、光照下器件的能带结构图;f、光照下器件的肖特基势垒高度定量表征;g、器件T1(Ti/Au, Ti/Au)的工作原理图;h、器件T2(α-MoO3-x, Ti/Au)的工作原理图;i、器件T3(Ti/Au,α-MoO3-x)的工作原理图


研究工作得到了国家自然科学基金、中科院、辽宁省兴辽英才计划、沈阳材料科学国家研究中心等的支持。

关键词:光电探测器 半导体材料 光电器件    浏览量:9665

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