西工大/南工黃維院士程迎春教授團隊Adv. Mater.：線性可調的高性能垂直雙柵范德華光電探測器

【引言】

層狀二維半導體因其優異的光學和電學特性在光電探測器中得到了廣泛的應用。通過光致柵控效應(PGE)、光電導效應(PCE)、光伏效應(PVE)、光熱電效應(PTE)等，基于二維半導體的光電晶體管或二極管表現出了優異的光電探測性能。高增益且線性的光電響應對高分辨光電探測具有重要意義，但是很難在單一溝道或p-n結器件中實現。若將晶體管和二極管的優勢結合起來，有可能實現高性能且線性響應的光電探測器。

【成果簡介】

近日，西北工業大學與南京工業大學的黃維院士程迎春教授團隊與甘雪濤教授課題組合作，采用干法轉移技術制備了基于多層雙極型WSe₂的垂直雙柵光電晶體管。通過雙柵產生的垂直電場調節光電導增益，表現出高性能的線性光電響應。實驗結果表明，在線性光響應狀態下，光電響應度可達≈ 2.5×10⁴?A?W^?1。垂直電場下的內建p-n同質結有助于光生電子-空穴對的分離，同時也大大降低了光電晶體管的噪聲，導致了高達≈ 2×10¹³?Jones的光電探測度。優異的光電探測性能為層狀二維半導體在高分辨和定量光電檢測方面的應用提供了一種設計思路。該成果以題為“Tunable linearity of high-performance vertical dual-gate vdW phototransistor”發表在了Adv. Mater.上。第一作者為博士研究生徐金鵬與羅小光博士。羅小光博士2018年加入西工大，入選2019年度“博新計劃”，獲批國家自然科學基金-青年科學基金等基金。

【圖文導讀】

圖1?垂直雙柵WSe₂光電探測器結構示意圖

a)垂直雙柵WSe₂光電探測器結構示意圖。S:源極，D:漏極，TG:頂柵，BG:底柵，Gr:石墨烯，hBN-T/B: 頂部/底部hBN納米片。

b)疊層結構示意圖，其中WSe₂通道被Si/SiO₂襯底上的兩個hBN納米片夾在中間。

c)金電極和多層WSe₂的能帶圖。

圖2?雙柵WSe₂光電晶體管的電學特性和光響應。

a)不同漏極電壓V_ds下底部柵控的轉移曲線。左下角和右下角的插圖分別描繪了器件在p型和n型分支中的能帶結構，綠色箭頭線表示肖特基勢壘高度。

b)雙柵柵控時，頂柵電壓V_tg從?3 V增加到3 V的轉移曲線，電壓增幅為1 V，漏極電壓V_ds= 0.1V。

c)沿剖面WSe₂通道垂直方向，不同頂柵電壓V_tg下計算的電勢，背柵電壓V_bg= ?75 V。eV的單位與符號無關。插圖指出了器件中定義的坐標，這里不考慮漏極電壓的影響。

d)不同頂柵電壓下（V_tg=0 V和2V），光電晶體管在暗態和光照狀態的柵控響應，V_ds= 0.1 V。

e)左圖為器件的光學顯微照片，另外兩個圖分別是V_tg= 0和3 V時的掃描光電流圖，V_ds=0.1 V。

f)V_tg= 3 V，V_ds=0 V時的掃描光電流圖。所有光電流掃描的底柵電壓V_bg= ?70 V，激光功率約30 nW。e, f圖說明了器件的光電流產生在WSe₂溝道中，不存在光伏效應。

圖3?雙柵WSe₂光電探測器的光響應特性，V_ds= 0.1 V

a-c) 頂柵電壓V_tg分別為?1，0，3V時，光電流(I_ph)和激光功率密度(P_in)的對數關系圖。不同的線性區域可以通過顏色來區分。

d-f) 在光照下WSe₂通道的橫截面中載流子行為的示意圖，紅色/藍色球體表示電子/空穴，能帶中的離散線段和紅色虛線分別描繪陷阱狀態和費米能級，靠近中間帶隙的橙色區域表示復合中心。值得注意的是，費米能級也隨著激光強度的增加而彎曲。

圖4?雙柵WSe₂光電探測器的光響應特性，V_ds= 0.1 V，V_bg= ?75 V

a)不同頂柵電壓V_tg下響應度和激光強度的對數關系圖。

b-c) 相應的噪聲電流譜密度S(f)和探測度(D*)。圖a和c中的淺紅色區域表示線性光響應區，V_tg= 2 V。

d)器件放置9個月后的瞬態光響應，激光功率密度約為 ~?0 mW cm^?2。激光的開關頻率設定為200 Hz。

【小結】

用干法轉移制作了垂直雙柵WSe₂光電晶體管，其中多層雙極型WSe₂通道由hBN納米片夾在中間，均勻的頂柵由透明石墨烯制成。在WSe₂通道內的垂直電場可使用雙柵進行調節，導致電荷在WSe₂兩個界面上積累。當反向偏置雙柵時，形成雙通道導通，內建垂直p-n同質結能有效分離光生電子-空穴對，降低器件的1/f噪聲。通過調節頂部和底部柵壓，光電導增益被調節為恒定，這是線性光響應的關鍵。從結果看，作者實現了具有高響應度~2.5×10⁴?A W^?1和高探測度~2×10¹³?Jones的線性光響應。與最新的基于WSe₂的光電探測器相比，該垂直雙柵WSe₂光電晶體管在可調線性光響應機制下表現出卓越的探測性能。線性光響應有可能通過調節雙柵得到進一步的優化，并且可以通過增加介質電容來降低大的柵電壓，例如使用更薄或更高κ的電介質。總之，垂直雙柵WSe₂光電晶體管具有可調線性光響應和高性能，為多層2D半導體的高分辨率和定量光檢測提供了一個有前景的策略。

文獻鏈接：Tunable linearity of high-performance vertical dual-gate vdW phototransistor（Adv. Mater.，2021，DOI: 10.1002/adma.202008080）

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