Advanced Functional Materials:基于PdSe2/MoS2异质结的结型场效应晶体管用于高响应度和高探测度光电探测器

基于二维材料的光电探测器近年来由于其独特的光电性质而受到了广泛的研究。然而,二维材料光电探测器往往存在响应度和探测度难以兼得的限制。目前报道的二维材料光电探测器多数是基于光浮栅效应或光伏效应的。对于光浮栅探测器,缺陷或电荷传输导致的光电导增益使器件具有高响应度,但是较大的暗电流噪声使器件的探测度较低,并且较长的光生载流子寿命也导致了较慢的响应速度。对于光伏探测器,内建电场能有效地抑制暗电流噪声并有效分离光生载流子,使器件具有高探测度和快响应速度,但由于缺乏增益机制而响应度较低。实现同时具有高响应度和高探测度的二维材料光电探测器是实现其进一步应用的必要条件。

华中科技大学翟天佑教授、周兴副教授课题组报道了基于PdSe2/MoS2异质结的结型场效应晶体管(JFET)光电探测器,通过结型顶栅和背栅调控同时实现了高响应度和高探测度。该器件的响应度达到6×102 A/W,探测度达到1011 Jones,相比于传统结构的光电探测器展现出了巨大的优势。

研究人员通过机械剥离法制备了PdSe2/MoS2异质结,其中PdSe2作为顶栅,MoS2作为背栅。该JFET首先展现了优异的电学性质,例如高达213 cm2 V-1 s-1的载流子迁移率。除了结型顶栅外,还引入了SiO2/Si作为背栅,用于对器件的光电探测性能做进一步调控。通过双栅调控,该器件同时实现了高达6×102 A/W的响应度和高达1011 Jones的探测度。与传统结构的MoS2 FET和PdSe2/MoS2异质结光电探测器的性能相比,JFET器件的响应度和探测度都有明显的提高,展现了该结构的巨大优势。研究者认为,JFET器件的优异性能来源于双栅极对沟道耗尽区的有效调控。一方面,耗尽区能够有效抑制暗电流;另一方面,当光照射耗尽区时,光生载流子的产生导致耗尽区的厚度减小,使沟道产生较大的光电流。因此,通过适当地调控耗尽区,可实现较低的暗电流和较大的光电流,使器件同时具有高响应度和高探测度。因此,JFET器件为高性能光电探测器提供了新的思路。

论文信息:

Junction Field-Effect Transistors Based on PdSe2/MoS2 Heterostructures for Photodetectors Showing High Responsivity and Detectivity

Haoyun Wang, Zexin Li, Dongyan Li, Xiang Xu, Ping Chen, Lejing Pi, Xing Zhou*, Tianyou Zhai

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202106105

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106105