超灵敏钼基光电晶体管的新思路

近期，中国科学院金属研究所（简称金属所）科研团队与多家科研团队合作，提出了一种提高光增益的新方法。在超灵敏钼基光电晶体管方面取得突破。

据了解，二维半导体材料在光电器件领域有着独特的优势，因为具有原子级厚度及独特的能带结构。然而，二维材料在光电转换过程中，一个入射光子只能激发一个电子，而且通常光吸收比较弱，从而导致器件的光探测能力不高，因此增加光增益性以提高探测灵敏度一直是科学家们关注的热点。

通常，提高光增益主要有雪崩和光栅两种方式：前者对材料能带的匹配要求苛刻，且需在高偏置电压下工作。而后者由于电荷弛豫效应，会导致光电响应速度显著降低。金属所团队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，从而获得高灵敏度的二维材料光电探测器。

该团队使用了二维二硫化钼作为沟道材料、氧化钼为电极材料，在晶体管源端和漏端形成了双异质结，构筑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。

结合能带结构的光学表征和理论计算，科研团队还提出了双异质结光致势垒降低机制的工作原理。它是指氧化钼-二硫化钼异质结形成大的带肖特基势垒，源极电子无法注入沟道，实现超低暗电流和噪声。

在光照下，在源的耗尽区产生电子-空穴对，然后在内置电场的驱动下分离。载流子浓度的变化导致源头电子势垒降低，实现电子注入和光学增益。

注入的电子会降低漏极处的电子势垒并增加光电流，从而增强源极内建电场，从而实现正反馈效应，获得超高响应度和探测率。同时，由于没有使用陷阱来限制电荷，该器件还具有很高的响应速度。

据中国心理研究所科研团队负责人介绍这项工作为钼基光电晶体管的光学增益提出了一种重要的方法，该方法可以扩展到其他二维材料系统，并拓宽未来构建超灵敏光电探测器的可能性。相关研究成果以《一种超灵敏的钼基双异质结光电晶体管》为题在线发表于《自然·通讯》。

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