基于二维硒氧化铋材料的超灵敏光电晶体管

高迁移率二维半导体是制备高性能二维光电器件的重要基础,然而目前二维半导体(诸如过渡金属硫属化合物)的性能仍有待进一步提高。同时可以批量制备的化学气相沉积法(CVD)制备的二维半导体的性能更是差强人意。近来发现的一类新的二维高迁移率(室温下约为450 cm2V-1S-1)半导体硒氧化铋(Bi2O2Se),不仅可以通过化学气相沉积法制备,同时还有很好的稳定性,在二维光响应探测器领域有很好的应用前景。然而由于材料偏n型的性质,导致其在零栅压的情况下,暗电流比较大(几百nA),这将导致器件的较低开关比和低灵敏度,同时在关闭状态仍有较大的功耗。

最近,新加坡南洋理工大学刘政副教授课题组与电子科技大学刘富才教授课题组合作,通过发展一种采用聚苯乙烯(Polystyrene,PS)膜结合去离子水(DI water)的转移方法,克服了传统方法(聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膜结合氢氟酸(HF))转移过程中HF对样品的刻蚀,成功在二氧化硅/硅衬底上获得高质量硒氧化铋材料。在硅衬底上,硒氧化铋光响应器件不仅维持了较高的光响应度(3.5×104 AW-1)和光增益(8×104)。同时得益于硅衬底的底栅结构,暗电流在负栅压的作用下可以被调节到pA量级,从而实现了较高的开关比(~107)和灵敏度(9×1013 Jones)。这比此前报道的基于化学气相沉积法合成的二维半导体的光响应器件要高出两个量级。与此同时,转移到硅衬底的硒氧化铋材料将有机会与目前成熟硅基材料以及工艺结合,从而大大拓宽其电子与光电器件方面的应用。

相关工作以“Ultrasensitive 2D Bi2O2Se Phototransistors on Silicon Substrates“为题,发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201804945 )上,共同通讯作者为新加坡南洋理工大学大学刘政副教授,新加坡国立大学Steven Pennycook教授以及成都电子科技大学刘富才教授,共同第一作者为博士研究生傅群东和朱超。