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金屬所鉬基雙異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器研究取得進(jìn)展
日期:2021-07-12   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:simaran_sxj 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
二維半導(dǎo)體材料具有原子級(jí)厚度及獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu),在光電器件應(yīng)用領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)。然而,二維材料通常光吸收較弱,且在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中,一個(gè)入射光子只能激發(fā)一個(gè)電子-空穴對(duì),導(dǎo)致器件的光探測(cè)能力不高。一般來(lái)說(shuō),提高光增益有雪崩和光柵兩種方式:雪崩機(jī)制對(duì)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),導(dǎo)致光電響應(yīng)速度顯著降低。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所與國(guó)內(nèi)多家單位的科研團(tuán)隊(duì)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(jìn)行能帶匹配,使其在光照下晶體管源、漏端的勢(shì)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(cè)器。7月2日,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,在線發(fā)表在《自然-通訊》上。

研究團(tuán)隊(duì)使用二維二硫化鉬作為溝道材料、氧化鉬(-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)筑光電晶體管(圖1)。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(cè)器中最高的探測(cè)度(9.8×1016 Jones)和超快光電響應(yīng)速度(約100 μs)等優(yōu)異的光電特性(圖2)。

研究構(gòu)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(yīng)是鈦/金(Ti/Au)電極器件的3-4個(gè)數(shù)量級(jí)(圖3)。結(jié)合對(duì)材料能帶結(jié)構(gòu)的光學(xué)表征和理論計(jì)算,科研人員還提出了雙異質(zhì)結(jié)光致勢(shì)壘降低機(jī)制的器件工作原理(圖4),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(shì)壘,源端電子無(wú)法注入溝道中,實(shí)現(xiàn)了超低暗電流和噪聲。在光照條件下,電子-空穴對(duì)在源端耗盡區(qū)生成,隨后在內(nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下高效分離,載流子的濃度變化導(dǎo)致源端電子勢(shì)壘的降低,實(shí)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(shì)壘,增大光電流;而這進(jìn)一步增強(qiáng)源極內(nèi)建電場(chǎng),實(shí)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(cè)度。同時(shí),由于不使用陷阱束縛電荷,器件還具有高響應(yīng)速度。該研究提出了一種具有普適性意義的提高光電探測(cè)器增益的方法,可推廣至其他二維材料體系,為未來(lái)構(gòu)建超靈敏光電探測(cè)器開(kāi)辟了新思路。

研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院、遼寧省興遼英才計(jì)劃、沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心等的支持。




圖1.光電晶體管結(jié)構(gòu)與性能。a、結(jié)構(gòu)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(qiáng)下的轉(zhuǎn)移特性曲線



圖2.光電性能表征與評(píng)價(jià)。a、噪聲密度譜;b、響應(yīng)度;c、外量子效率;d、信噪比;e、探測(cè)度;f、光響應(yīng)速度;g、二維材料光電晶體管性能對(duì)比



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



圖4.雙異質(zhì)結(jié)光致勢(shì)壘降低機(jī)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(tài)下器件的能帶結(jié)構(gòu)圖;d、暗態(tài)下器件的肖特基勢(shì)壘高度定量表征;e、光照下器件的能帶結(jié)構(gòu)圖;f、光照下器件的肖特基勢(shì)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(-MoO3-x, Ti/Au)的工作原理圖;i、器件T3(Ti/Au,-MoO3-x)的工作原理圖 

原標(biāo)題:金屬所鉬基雙異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器研究取得進(jìn)展
 
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來(lái)源:金屬研究所
 
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