超靈敏鉬基光電電晶體的新思路

近期，中國科學院金屬研究所（以下簡稱金屬所）科研團隊與多家科研團隊合作，提出了一種提高光增益的新方法。在超靈敏鉬基光電電晶體方面取得突破。

據瞭解，二維半導體材料在光電器件領域有著獨特的優勢，因為具有原子級厚度及獨特的能帶結構。然而，二維材料在光電轉換過程中，一個入射光子只能激發一個電子，而且通常光吸收比較弱，從而導致器件的光探測能力不高，因此增加光增益性以提高探測靈敏度一直是科學家們關注的熱點。

通常，提高光增益主要有雪崩和光柵兩種方式：前者對材料能帶的匹配要求苛刻，且需在高偏置電壓下工作。而後者由於電荷弛豫效應，會導致光電回應速度顯著降低。金屬所團隊通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回饋，從而獲得高靈敏度的二維材料光電探測器。

該團隊使用了二維二硫化鉬作為溝道材料、氧化鉬為電極材料，在電晶體源端和漏端形成了雙異質結，構築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回應是金屬電極（Ti/Au）器件的3～4個數量級。

結合能帶結構的光學表徵和理論計算，科研團隊還提出了雙異質結光致勢壘降低機制的工作原理。它是指氧化鉬-二硫化鉬異質結形成大的帶肖特基勢壘，源極電子無法注入溝道，實現超低暗電流和雜訊。

在光照下，在源的耗盡區產生電子-空穴對，然後在內置電場的驅動下分離。載流子濃度的變化導致源頭電子勢壘降低，實現電子注入和光學增益。

注入的電子會降低漏極處的電子勢壘並增加光電流，從而增強源極內建電場，從而實現正回饋效應，獲得超高回應度和探測率。同時，由於沒有使用陷阱來限制電荷，該器件還具有很高的回應速度。

據中國心理研究所科研團隊負責人介紹這項工作為鉬基光電電晶體的光學增益提出了一種重要的方法，該方法可以擴展到其他二維材料系統，並拓寬未來構建超靈敏光電探測器的可能性。相關研究成果以《一種超靈敏的鉬基雙異質結光電電晶體》為題線上發表于《自然·通訊》。

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