中科院上海技物所基于浮栅结构低维材料光电探测器取得进展

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近日,中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室胡伟达研究员、武汉大学廖蕾教授等研究人员基于浮栅结构的二维材料光电探测器研究中取得积极进展,相关成果以“High-Sensitivity Floating-Gate Phototransistors Based on WS2 and MoS2”为题发表在国际刊物 Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201601346)。
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图:基于浮栅结构光电探测器结构示意和暗电流抑制效果

以石墨烯及二维过渡金属硫族化合物为代表的二维材料在光电探测领域受到越来越广泛的关注。然而,石墨烯类光电探测器由于其零带隙、高本征载流子浓度、以及双极性导致无法形成p-n结耗尽层,造成了此类探测器暗电流偏高,限制了其在光电探测器件领域的应用。以二硫化钼(MoS2)及二硫化钨(WS2)为代表的过渡金属硫化物二维材料具有与硅(Si)、砷化镓(GaAs)、铟嫁砷(InGaAs)接近的半导体带隙,且带隙随厚度有显著变化,因此在新型光电探测领域具有广阔应用前景。然而这类材料在制备过程中不可避免的引入非故意掺杂或界面缺陷,从而在零栅压下仍然具有较高浓度的背景载流子,存在探测器暗电流偏高的问题,限制了其在光电探测的应用。最近,胡伟达等研究人员,把传统浮栅存储器结构引入光电探测器,利用浮栅“捕获”(Program)和“释放”(Erase)载流子的特性,将沟道电子“存入”浮栅内,从而引入一种垂直局域电场,这种局域电场实现了对二维材料沟道的背景载流子的完全耗尽,显著降低了器件暗电流,提高器件在弱光下的探测性能。此外,器件可在零栅压、低源漏偏压下工作,具有优异的低功耗特性。这类浮栅结构的探测器电流响应率可达1090 A/W,探测率达3.5×1011 Jones。该研究系统讨论了响应率、响应速度与缺陷的内在关系并且提出相关的见解和解决方案。利用浮栅结构实现二维材料高灵敏光电探测的新方法,为设计基于二维材料的光电子器件提供了新思路。

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