科院金属所钼基双异质结光电探测器研究取得进展

  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具有优势。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》上。

  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。

  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。

  论文链接 https://www.nature.com/articles/s41467-021-24397-x