高效光电探测器研究取得新突破

中国网/中国发展门户网讯 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，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《自然·通讯》上在线发表。

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。

据介绍，该团队使用二维二硫化钼作为沟道材料、氧化钼（a-MoO_3-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（＞10⁵A/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。

团队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。

 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。

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。

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-MoO_3-x, Ti/Au), T3 (Ti/Au,a-MoO_3-x), T4 (a-MoO_3-x,a-MoO_3-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。

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-MoO_3-x, Ti/Au）的工作原理图；i. 器件T3（Ti/Au，a-MoO_3-x）的工作原理图。