由於具有原子級厚度及獨特的能帶結構，二維半導體材料在光電器件應用領域展現出獨特的優勢。然而，二維材料通常光吸收較弱，且在光電轉換過程中，一個入射光子只能激發一個電子-空穴對，導致器件的光探測能力不高，因此提高光增益性以提高探測靈敏度一直是研究的熱點問題。一般來說，提高光增益主要有雪崩和光柵兩種方式：雪崩機制對材料能帶的匹配要求苛刻，且需在高偏置電壓下工作。而光柵機制由於電荷弛豫效應，會導致光電響應速度顯著降低。
中國科學院金屬研究所科研人員與國內多家單位的科研團隊合作，提出了一種提高光增益的新方法，他們透過選擇合適溝道和電極材料進行能帶匹配，使其在光照下電晶體源、漏端的勢壘降低並形成正反饋，從而獲得了超高靈敏度的二維材料光電探測器。相關研究成果以 “一種超靈敏的鉬基雙異質結光電電晶體” （An ultrasensitive molybdenum-based double-heterojunction phototransistor）為題於7月2日在《自然·通訊》（Nature Communications）上線上發表。
該團隊使用二維二硫化鉬作為溝道材料、氧化鉬（a-MoO3-x）為電極材料，在電晶體源端和漏端形成了二硫化鉬/氧化鉬雙異質結，構築了光電電晶體。該電晶體展現出超高響應度（＞105 A/W）、超高外量子效率（＞107 %）、在二維材料光電探測器中最高的探測度（9.8×1016 Jones）和超快光電響應速度（約100 μs）等諸多優異的光電特性。
他們構築了具有不同種類源漏電極的光電電晶體，其中氧化鉬為電極的器件光響應是金屬電極（Ti/Au）器件的3-4個數量級。結合對材料能帶結構的光學表徵和理論計算，他們還提出了雙異質結光致勢壘降低機制的器件工作原理，即在暗態下氧化鉬-二硫化鉬異質結形成大的肖特基勢壘，源端電子無法注入到溝道中，實現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生成，隨後在內建電場驅動下高效分離，載流子的濃度變化導致了源端電子勢壘的降低，實現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，而這又進一步增強源極內建電場，從而實現了雙異質結間的正反饋效應，獲得了超高響應度和探測度。同時由於不使用陷阱束縛電荷，器件還具有高響應速度。該工作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，為未來構建超靈敏光電探測器開闢了新思路。
馮順博士研究生、劉馳專案研究員為文章共同第一作者，孫東明研究員、成會明院士、尹利長研究員和南京大學王肖沐教授為文章共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金委、中科院、遼寧省興遼英才計劃和瀋陽材料科學國家研究中心等專案支援。
（中國日報遼寧記者站）
來源：中國日報網
