钼基双异质结光电探测器研究取得新突破

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。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。题为“一种超灵敏的钼基双异质结光电晶体管（An ultrasensitive molybdenum-based double-heterojunction phototransistor）”的研究成果于2021年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（图1）。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（图2）。

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，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（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。南京大学王肖沐教授团队重点开展了噪声和响应速度测试及工作机制分析与研究，尹利长研究员在电子结构计算和理论分析方面提供支持。任文才研究员和张莉莉项目研究员分别在氧化钼晶体和材料显微表征方面提供支持，甄超副研究员和陈伟副研究员分别提供了吸收光谱和真空退火研究方面的技术支持。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。

图1. 光电晶体管结构与性能。a. 结构示意图；b. 原子力显微镜图；c. 器件截面透射电子显微镜图；d. 不同光强下的转移特性曲线。

图2. 光电性能表征与评价。a. 噪声密度谱；b. 响应度；c. 外量子效率；d. 信噪比；e. 探测度；f. 光响应速度；g. 二维材料光电晶体管性能对比。 

图3. 光增益正反馈工作机制。a. 具有不同源漏电极的晶体管研究平台：T1（Ti/Au, Ti/Au, T2 (a-MoO3-x, Ti/Au), T3 (Ti/Au, a-MoO3-x), T4 (a-MoO3-x, a-MoO3-x)；b. 光电晶体管在暗态（黑色）和光照（彩色）下的转移特性曲线；c-d. 器件光电流的空间分布响应图。  

图4 双异质结光致势垒降低机制。a. 氧化钼退火前后的吸收光谱；b. 氧化钼的紫外光电子能谱；c.暗态下器件的能带结构图；d.暗态下器件的肖特基势垒高度定量表征；e.光照下器件的能带结构图；f. 光照下器件的肖特基势垒高度定量表征；g. 器件T1（Ti/Au, Ti/Au）的工作原理图；h. 器件T2（a-MoO3-x, Ti/Au）的工作原理图；i. 器件T3（Ti/Au，a-MoO3-x）的工作原理图。