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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。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。
 
  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。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,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。

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