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)域展現(xiàn)出優(yōu)勢。然而，二維材料通常光吸收較弱，且在光電轉(zhuǎn)換過程中，一個(gè)入射光子只能激發(fā)一個(gè)電子-空穴對，導(dǎo)致器件的光探測能力不高。一般來說，提高光增益有雪崩和光柵兩種方式：雪崩機(jī)制對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。
中國科學(xué)院金屬研究所與國內(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》（Nature Communications）上。
研究團(tuán)隊(duì)使用二維二硫化鉬作為溝道材料、氧化鉬（α-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（＞10? A/W）、超高外量子效率（＞10? %）、在二維材料光電探測器中最高的探測度（9.8×101? 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）。
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、探測度；f、光響應(yīng)速度；g、二維材料光電晶體管性能對比
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)形成大的肖特基勢壘，源端電子無法注入溝道中，實(shí)現(xiàn)了超低暗電流和噪聲。在光照條件下，電子-空穴對在源端耗盡區(qū)生成，隨后在內(nèi)建電場驅(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壘，增大光電流；而這進(jìn)一步增強(qiáng)源極內(nèi)建電場，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器增益的方法，可推廣至其他二維材料體系，為未來構(gòu)建超靈敏光電探測器開辟了新思路。
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（α-MoO3-x, Ti/Au），T3（Ti/Au, α-MoO3-x），T4 （α-MoO3-x, α-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（α-MoO3-x, Ti/Au）的工作原理圖；i、器件T3（Ti/Au，α-MoO3-x）的工作原理圖
研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院、遼寧省興遼英才計(jì)劃、沈陽材料科學(xué)國家研究中心等的支持。
