Advanced Science:光驱动结型场效应晶体管高增益、快速光探测

近年来,基于低维材料复合结构高增益光电器件引起了研究人员的极大兴趣。通过将感光材料与导电材料的结合,光生载流子被限制在感光材料中形成局域电场以实现photogate来调节导电材料电导,使得器件获得了超高的光导增益。该器件结构与基于单一材料的探测器件相比成功的将感光过程和导电过程分离,器件的响应不再受限于单一材料量子效率小于1的经典理论极限而实现放大。然而,与载流子寿命正相关的增益机制往往会牺牲器件的响应速度,增益与响应时间面临相互制约的难题。尽管通过器件结构设计与材料的选取可以在增益与响应时间之间进行权衡,但如何将增益与载流子寿命解耦合才是解决问题的关键所在。

针对上述问题,钱学森空间技术实验室郭楠博士与复旦大学周鹏教授、中科院上海技物所胡伟达研究员提出了一种光驱动结型场效应晶体管器件实现高增益、快速光探测。该结构中,栅极材料一方面作为p型材料与n型的导电沟道形成p-n结,另一方面作为感光材料连接顶栅电极与导电沟道。在光照条件下,栅极材料受光激发阻值减小使得外加的顶栅电压通过栅极材料有效施加到p-n结区,调节沟道中空间耗尽区的宽度来实现对沟道电导的调节。器件的增益由外部施加的顶栅电压调节实现而不再是photogate,响应时间由晶体管的开关速度决定,成功将增益与载流子的寿命解耦合,器件的增益可达到104,响应时间10μs。此外,通过顶栅电压大小与极性的变化可实现对空间耗尽区的宽窄调节,进而实现正光响应与负光响应的相互转变。同时,该器件结构具有很好的普适性,为高增益光电器件的研究提供了一种新的途径。相关论文以“Light-Driven WSe2-ZnO Junction Field-Effect Transistors for High-Performance Photodetection”为题,在线发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201901637)上。