中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
二維層狀原子晶體材料的物理性能（如帶隙等）隨厚度減小而變化，在光子和光電子器件的應用中具有廣闊前景。光電探測器作為重要的光電應用單元器件，引發(fā)學(xué)界廣泛關(guān)注，近年來(lái)基于二維原子晶體材料的光電晶體管成為最主要的關(guān)注對象之一。除半金屬的石墨烯之外，半導體二維原子晶體材料（如過(guò)渡金屬硫屬化合物、II-VI族、Ⅲ-VI族層狀半導體等）是光電探測器溝道材料的優(yōu)良候選者。然而，由于在大柵極電壓下存在較大的暗電流，光開(kāi)關(guān)比和光響應率小是基于這些二維原子晶體材料的光電探測器存在的問(wèn)題。硒化銦（InSe）作為一種典型的二維層狀Ⅲ-VI族半導體材料，具有優(yōu)異的電學(xué)性能（載流子遷移率~104 cm2 V-1 s-1）和適中且可調的直接帶隙，光譜響應覆蓋了從近紅外到紫外的范圍，在光電器件中表現出潛力。因此，如何優(yōu)化器件結構并充分發(fā)揮其在光電探測器領(lǐng)域的作用，成為科研人員重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗室研究員、中科院院士高鴻鈞帶領(lǐng)的團隊長(cháng)期致力于研究新型二維原子晶體材料的制備、物性調控及原型器件構筑等，并獲得了一系列重要研究成果。例如，他們實(shí)現黑磷的電子摻雜，并構筑出黑磷柵控二極管、邏輯反相器、雙向整流器等一系列平面器件（Nano Lett. 16, 6870 (2016)），進(jìn)一步利用交聯(lián)PMMA作為頂柵、SiO2作為背柵，通過(guò)雙柵調控實(shí)現黑磷的單極性（N型或P型）場(chǎng)效應晶體管（2D Mater. 4, 025056 (2017)）。
近期，該團隊博士生吳良妹（已畢業(yè)）和副研究員鮑麗宏等針對InSe和傳統柵介質(zhì)（如SiO2、Al2O3、HfO2等）的界面特性不兼容所誘導的額外載流子散射過(guò)程，從而造成InSe的場(chǎng)效應晶體管的遷移率、開(kāi)關(guān)比嚴重下降的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，利用二維原子晶體異質(zhì)結堆疊技術(shù)，將InSe作為溝道材料、六方氮化硼（h-BN）作為背柵、石墨 （graphite）作為柵電極，構筑了InSe/h-BN/graphite異質(zhì)結。研究人員對該異質(zhì)結進(jìn)行高分辨掃描透射顯微鏡表征，發(fā)現InSe與h-BN之間具有原子級銳利的界面特性（與中國科學(xué)院大學(xué)教授周武合作）。該原子級銳利的界面特性降低了載流子在溝道與柵介質(zhì)界面處的散射，使以該異質(zhì)結作為核心單元構筑的場(chǎng)效應晶體管表現出高達1146 cm2/Vs的電子遷移率、~1010的電流開(kāi)關(guān)比。進(jìn)一步利用該異質(zhì)結構筑的邏輯反相電路的電壓增益高達93.4。研究人員利用二維原子晶體材料良好的力學(xué)柔韌性，將該異質(zhì)結放置于柔性襯底，在柔性襯底施加高達~2 %的應變時(shí)，相應的場(chǎng)效應晶體管的器件性能并未發(fā)生明顯退化，這顯示出該異質(zhì)結在柔性電子學(xué)領(lǐng)域的潛在應用。相關(guān)研究成果以InSe/h-BN/graphiete heterostructures for high-performance 2D electronics and flexible electronics為題，發(fā)表在Nano Res. 13, 1127-1132 (2020)上。
基于InSe與h-BN間的原子級銳利界面特性，該團隊聯(lián)合培養博士生劉麗和鮑麗宏等進(jìn)一步利用有機透明鐵電薄膜作為柵介質(zhì)，構筑出高性能InSe光電探測器。與傳統柵介質(zhì)相比，鐵電柵介質(zhì)具有較高的相對介電常數（~103），利用其自發(fā)極化特性，有望深度耗盡半導體溝道中的剩余載流子，從而抑制光電探測器的暗電流，提高光電探測器的光開(kāi)關(guān)比、光響應率等性能。研究人員使用透明鐵電P（VDF-TrFE）共聚物薄膜作為頂柵介質(zhì)、半透明鋁膜作為頂柵電極、InSe作為溝道、h-BN作為襯底，制作了InSe光電探測器（圖1）。多層InSe溝道在鐵電P（VDF-TrFE）調制下的轉移曲線(xiàn)中存在一個(gè)~40 V的逆時(shí)針存儲窗口，這是鐵電極化轉換過(guò)程引起的。溝道電流（IDS）隨頂柵電壓（Vtg）增加而增加，表明InSe溝道是典型的n型導電，電流的開(kāi)/關(guān)比高達~108（圖2 a-b）。InSe 晶體管在鐵電P（VDF-TrFE）薄膜三種極化狀態(tài)調制下的輸出特性表明，載流子在極化向上狀態(tài)下完全耗盡，其溝道電流IDS最小，使其暗電流低至~10-14 A，且溝道電流主要來(lái)自光生載流子的貢獻（圖2c）。對于自然狀態(tài)和極化向下?tīng)顟B(tài)，溝道電流不僅來(lái)源于光激發(fā)載流子，熱離子/隧穿載流子也做出了較大貢獻（圖3）。鐵電頂柵處于極化向上狀態(tài)時(shí)，光電流Iph與激光功率之間呈冪律關(guān)系：Iph ∝ P0.44，表明光生載流子的效率與吸收的光子通量非線(xiàn)性相關(guān)，也反映出復合過(guò)程（陷阱態(tài)）產(chǎn)生的光生載流子的損耗。在激光功率0.04 mW/cm-2下，光響應率高達14250 AW-1，探測率高達1.63×1013 Jones，比此前的文獻報道提高了兩個(gè)數量級。InSe光電探測器的光電流開(kāi)關(guān)的上升時(shí)間（tr）和下降時(shí)間（tf）分別為600 μs和1.2 ms，均優(yōu)于此前報道的基于其他二維原子晶體的鐵電柵控光電探測器（圖4）。該研究提出了一種利用鐵電柵介質(zhì)以調控二維原子晶體光晶體管的載流子電子輸運的新方法，有效抑制了其暗電流，解決了當前二維原子晶體光探測器的光開(kāi)關(guān)比和光響應率小的問(wèn)題，為未來(lái)基于二維原子晶體光電探測器的開(kāi)發(fā)提供了新途徑。
相關(guān)研究成果以Ferroelectric-Gated InSe Photodetectors with High On/Off Ratios and Photoresponsivity為題，發(fā)表在Nano Lett. 20, 6666-6673 (2020)上。劉麗為論文第一作者，鮑麗宏和湖南大學(xué)教授秦志輝為論文的共同聯(lián)系作者，美國Vanderbilt University教授Sokrates T. Pantelides等是該研究的合作者。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、中科院的支持。
圖1.多層InSe光電探測器的器件結構。（a）γ-InSe的晶體結構。（b）單色光照射下，多層InSe光電探測器的結構示意圖。（c）18 nm厚InSe薄片的AFM圖像
圖2.鐵電柵控的InSe晶體管室溫下在黑暗環(huán)境中的電學(xué)特性。（a）以P（VDF-TrFE）為鐵電頂柵電介質(zhì)的InSe晶體管在VDS=100 mV時(shí)的轉移曲線(xiàn)。（b）對數標度，從-40 V到40 V的雙掃觀(guān)察到 ~40 V的大逆時(shí)針存儲窗口。（c）在零柵極電壓下，具有三種狀態(tài)鐵電薄膜的InSe FET的輸出特性
圖3.零柵極電壓下，多層InSe光電晶體管在鐵電P（VDF-TrFE）層的三種極化狀態(tài)下的光響應特性。（a-c）在VDS=0 V下具有三種不同鐵電極化狀態(tài)的InSe光電晶體管的截面圖。（d-f）在三種狀態(tài)下，黑暗和光照時(shí)光電晶體管的IDS-VDS特性。（g-i）鐵電柵控的InSe光電探測器在三種狀態(tài)下的光開(kāi)關(guān)特性
圖4.鐵電柵控的InSe光電探測器在極化向上狀態(tài)下的光響應特性。（a）光電晶體管的IDS-VDS行為。（b）光照功率依賴(lài)的光電流。（c）InSe光電探測器的響應率和探測率。（d-f）InSe光電晶體管在極化向上狀態(tài)下的時(shí)間分辨光開(kāi)關(guān)行為
