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中国科学院金属研究所高效光电探测器研究取得新突破

来源: 中国日报网
2021-07-08 18:49 
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由于具有原子级厚度及独特的能带结构,二维半导体材料在光电器件应用领域展现出独特的优势。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,因此提高光增益性以提高探测灵敏度一直是研究的热点问题。一般来说,提高光增益主要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,会导致光电响应速度显著降低。

中国科学院金属研究所科研人员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,他们通过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,从而获得了超高灵敏度的二维材料光电探测器。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)为题于7月2日在《自然·通讯》(Nature Communications)上在线发表。

该团队使用二维二硫化钼作为沟道材料、氧化钼(a-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,构筑了光电晶体管。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)等诸多优异的光电特性。

他们构筑了具有不同种类源漏电极的光电晶体管,其中氧化钼为电极的器件光响应是金属电极(Ti/Au)器件的3-4个数量级。结合对材料能带结构的光学表征和理论计算,他们还提出了双异质结光致势垒降低机制的器件工作原理,即在暗态下氧化钼-二硫化钼异质结形成大的肖特基势垒,源端电子无法注入到沟道中,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了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,而这又进一步增强源极内建电场,从而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。该工作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。

冯顺博士研究生、刘驰项目研究员为文章共同第一作者,孙东明研究员、成会明院士、尹利长研究员和南京大学王肖沐教授为文章共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、中科院、辽宁省兴辽英才计划和沈阳材料科学国家研究中心等项目支持。

(中国日报辽宁记者站)

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