Advanced Materials:线性可调的高性能垂直双栅范德华光电探测器

层状二维半导体因其优异的光学和电学特性在光电探测领域得到了广泛应用。高增益且线性的光电响应对高分辨光电探测具有重要意义,但是很难在单一沟道或p-n结器件中实现。光电晶体管可以通过光致栅控效应实现高响应度和高外量子效率,然而束缚态产生的光电导增益随着光强增加而减小,导致亚线性光电响应。典型的光电二极管由于没有光电导增益,其光电响应是线性的,但是响应度和外量子效率都很低。因此,很难在线性响应的前提下实现高响应度的光电探测。

为解决这一科学难题,近日,西北工业大学与南京工业大学的黄维院士、程迎春教授团队与甘雪涛教授课题组合作,利用双极性二维半导体材料设计了垂直双栅范德华光电晶体管。结合晶体管和二极管的优势,实现了高响应度的线性光电响应。一方面,随着光照的增强,晶体管沟道内的束缚态将逐渐被光生载流子填充,导致光电导增益减小。另一方面,在垂直双栅的作用下,沟道内形成垂直p-n同质结。在强大的内建电场的作用下,光生载流子在沟道的上下表面积累,并重构沟道内的能带结构,最终使光电导增益增加。这两个竞争过程可由双栅电压调控,当光电导增益被调至恒定值时,就能实现高响应度的线性光电响应。在线性响应状态下,光电响应度可达~2.5×104 A/W。同时,垂直p-n同质结有助于光生电子-空穴对朝沟道的上下表面分离,大大降低了光电晶体管的噪声,产生了高达~2×1013 Jones的光电探测度。这一发现为层状二维半导体在高分辨和定量光电检测方面的应用提供了一种有前景的设计策略。

论文第一作者为博士研究生徐金鹏与罗小光助理教授。罗小光助理教授2018年加入西工大,入选2019年度“博新计划”,获批国家自然科学基金-青年科学基金等项目。

论文信息:

Tunable Linearity of High-Performance Vertical Dual-Gate vdW Phototransistors

Jinpeng Xu#, Xiaoguang Luo#, Siqi Hu, Xi Zhang, Dong Mei, Fan Liu, Nannan Han, Dan Liu, Xuetao Gan*, Yingchun Cheng*, Wei Huang*

Advanced Materials, 2021

DOI: 10.1002/adma.202008080