鐵電局域場增強低維材料光電探測器的研究與發(fā)展趨勢

在光電探測領(lǐng)域，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體薄膜探測器（例如Si、HgCdTe、InGaAs和InSb等）一直占據(jù)著光電探測市場的主導(dǎo)地位。隨著時代的發(fā)展，下一代光電探測器正朝著寬波段、高靈敏探測、超小尺寸、大面陣成像及多光譜探測等方向發(fā)展。新型低維材料（零維量子點、一維納米線和二維層狀材料等）先天性特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性質(zhì)被認為是下一代電子和光電子器件的潛力材料，例如：近幾年二硒化鎢（WSe2）、黑磷（BP）、硒氧化鉍（Bi2O2Se）、一維納米線銻化鎵（GaSb）、砷化鎵（GaAs）等低維材料均在光電器件研制中展現(xiàn)了出眾的探測性能。

基于鐵電材料中較高的極化電場和低維材料納米尺度的優(yōu)勢使得低維材料與鐵電材料優(yōu)勢互補，為實現(xiàn)新型光電子器件提供了機遇。據(jù)目前文獻報道，鐵電材料不僅可以作為柵介質(zhì)層產(chǎn)生局域極化電場調(diào)控溝道材料的載流子濃度，抑制暗電流顯著提高光電晶體管性能，而且可以基于自身的熱釋電效應(yīng)制備性能優(yōu)異的紅外熱探測器。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，由南通大學(xué)和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的研究人員組成的團隊在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了題為“鐵電局域場增強低維材料光電探測器研究進展”的綜述文章，第一作者為余晨輝教授，主要從事半導(dǎo)體器件及系統(tǒng)應(yīng)用等教學(xué)和研究工作。

該文總結(jié)了近年來鐵電局域場增強低維材料光電探測器的研究成果，介紹了鐵電材料對一維納米線、二維材料以及低維結(jié)型器件的調(diào)控和性能提升方面的相關(guān)研究。最后，對鐵電局域場增強低維材料光電探測器的發(fā)展趨勢進行了簡要的總結(jié)和展望。

鐵電局域場增強納米線光電探測器

2016年，Hu等人率先提出利用鐵電聚合物P(VDF-TrFE)薄膜作為介質(zhì)層，采用側(cè)柵結(jié)構(gòu)制備磷化銦（InP）和硫化鎘（CdS）單根納米線晶體管。該器件能夠通過側(cè)柵電極極化鐵電材料產(chǎn)生超強局域電場有效耗盡納米線本征載流子降低暗電流，顯著提高探測器的信噪比。InP納米線側(cè)柵結(jié)構(gòu)器件如圖1（a）所示，該器件根據(jù)鐵電材料的極化情況分為三種工作狀態(tài)：無極化狀態(tài)、負向極化狀態(tài)、正向極化狀態(tài)。圖1（b）為負向極化狀態(tài)下的工作原理圖，器件的暗電流在負向極化狀態(tài)下被有效抑制，InP納米線光電器件在830nm的入射光照射下獲得了高達4.2×10?的光電導(dǎo)增益，響應(yīng)率為2.8×10?AW?1，探測率為9.1×101?Jones，比傳統(tǒng)商用Si器件的探測率高出兩個數(shù)量級以上。

受限于材料本身的帶隙，以上鐵電材料調(diào)控單根InP、CdS納米線的光電器件探測波長分別為可見-近紅外（500~1200nm）和紫外-可見（350~700nm）。砷化銦（InAs）納米線作為一種典型的直接帶隙Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料，具有超高的載流子遷移率和窄禁帶寬度（~0.35eV），已被廣泛應(yīng)用于紅外光電探測研究領(lǐng)域。2019年，Zhang等人制備了鐵電聚合物P(VDFTrFE)薄膜作為頂柵介質(zhì)層、InAs納米線為溝道材料的晶體管光電器件，如圖1（c）所示。圖1（d）所示為器件在波長為3.5μm激光照射下的輸出特性曲線，光生電流占主導(dǎo)，使得器件在紅外波段有明顯響應(yīng)，而且光電流隨光功率的增加而顯著增加。因此InAs納米線能夠在鐵電局域場的調(diào)控下實現(xiàn)截止波長邊緣（~3.5μm）處的高靈敏探測，在3.5μm光照射下獲得高達1.6×10?AW?1的響應(yīng)率，1.4×1012Jones的探測率，5.7×103的增益。

圖1 鐵電局域場增強納米線光電探測器。（a）鐵電材料調(diào)控單根InP納米線側(cè)柵器件結(jié)構(gòu)示意圖；（b）器件在負向極化狀態(tài)的工作原理圖；（c）鐵電材料調(diào)控單根InAs納米線頂柵器件結(jié)構(gòu)示意圖；（d）器件在不同功率密度的3.5μm激光照射下的輸出特性曲線

鐵電局域場增強二維半導(dǎo)體材料光電探測器

2015年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所Wang等人利用P(VDF-TrFE)調(diào)控MoS2光電器件，圖2（a）為其器件結(jié)構(gòu)圖，9nm的金屬鋁薄膜作為半透明頂柵，三層MoS2納米片作為溝道導(dǎo)電材料。當(dāng)極化方向向上時，該光電器件可獲得極低暗電流，使光開關(guān)比達到三個量級，響應(yīng)率最高為2570AW?1，探測率為2.2×1012Jones，截止波長從850nm拓展到1550nm，如圖2（b）所示。

2020年，Tu等人通過圖2（c）所示結(jié)構(gòu)，利用氧化鉿基鐵電薄膜材料調(diào)控MoS2納米片得到負電容光電場效應(yīng)晶體管，該器件基于氧化鉿基鐵電薄膜的負電容效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)極低的亞閾值擺幅。該器件隨入射光功率變化下的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖2（d）所示，轉(zhuǎn)移特性隨光功率的增大發(fā)生左移，閾值電壓變化量增加。

圖2 鐵電局域場增強MoS2光電探測器。（a）鐵電材料調(diào)控MoS2頂柵器件結(jié)構(gòu)示意圖；（b）不同光波長下的響應(yīng)率；（c）鐵電材料調(diào)控MoS2負電容場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)及測試電路示意圖；（d）不同入射光功率下的轉(zhuǎn)移特性曲線

多樣化的二維材料具有豐富的物理性質(zhì)，研究人員們也同樣利用鐵電局域場來提升其他二維材料的光電性能。硒化銦（InSe）是一種典型的Ⅲ-Ⅵ族二維半導(dǎo)體材料，因其載流子遷移率高，帶隙適中且可調(diào)，展現(xiàn)出極大的光電探測潛力。2020年，Qin等人將P(VDF-TrFE)作為頂柵介質(zhì)層，h-BN作為襯底改善界面，制備了InSe光電晶體管，如圖3（a）所示。通過調(diào)控鐵電材料的極化狀態(tài)向上，使得InSe溝道材料在頂柵鐵電介質(zhì)層產(chǎn)生的超強局域場作用下，載流子保持在完全耗盡的狀態(tài)，暗電流成功地被抑制至~10?1?A，開關(guān)比高達八個量級以上，光響應(yīng)率為14250AW?1，探測率為1.63×1013Jones。

另一種特殊的半導(dǎo)體材料銻化銦（InSb）在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是電子有效質(zhì)量最小、電子遷移率最高、帶隙最小的材料，因此InSb能夠在低功耗和高速電子學(xué)、紅外探測中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能。但傳統(tǒng)的InSb紅外探測器受暗電流大的限制，通常需要在低溫下工作。當(dāng)InSb尺寸減小至納米結(jié)構(gòu)時，聲子散射被抑制，暗電流減小，工作溫度也可提高。但樣品表面的缺陷依然極大地影響了InSb的光電性能，為了改進并提高其光電探測靈敏度，需要外加?xùn)艍赫{(diào)控器件的工作狀態(tài)。Zhang等人研究了鐵電材料調(diào)控的二維InSb紅外光電探測器，如圖3（b）所示，利用鐵電薄膜P(VDFTrFE)鈍化納米片表面，而鐵電材料的極化電場也提供了所需的柵壓。使得該器件展現(xiàn)了寬光譜（637nm~4.3μm）探測的能力，暗電流低至4nA，響應(yīng)速度從秒提高至毫秒。

圖3 鐵電局域場增強二維材料光電探測器。（a）鐵電材料調(diào)控InSe光電晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；（b）鐵電材料調(diào)控InSb光電晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

鐵電材料自身的熱釋電特性也被用來提升二維材料的光電特性。2017年，U. Sassi等人將石墨烯轉(zhuǎn)移到鈮酸鋰（LiNbO3）上，然后通過沉積浮動?xùn)诺墓に嚨玫交谑┑闹胁t外探測器，如圖4（a）所示。在紅外信號的輻照下，LiNbO3溫度的變化產(chǎn)生熱釋電荷使得圖4（b）中電容C3電荷量發(fā)生改變，在電容器C2上產(chǎn)生頂柵電壓，這種器件結(jié)構(gòu)中浮柵的放大設(shè)計使電阻溫度系數(shù)高達900%/K，增益高達200，溫度分辨率為15μK，在室溫下實現(xiàn)了12μm中紅外探測器。

2020年，Wang等人利用鐵電材料P(VDF-TrFE)的熱釋電特性和二維半導(dǎo)體材料MoS2的光電導(dǎo)特性，基于鐵電局域場調(diào)控的二維半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，開發(fā)了具有超寬光譜（375nm~10μm）響應(yīng)的光電探測器。器件結(jié)構(gòu)如圖4（c）所示，為了對器件進行熱隔離處理，鐵電材料作為柵介質(zhì)層的MoS2 器件制備在超薄的聚酰亞胺襯底上。

而Zheng等人同樣在PMN-PT（001）鐵電單晶襯底上外延生長高質(zhì)量的二維Bi2O2Se薄膜，實現(xiàn)了2D鐵電場效應(yīng)晶體管，如圖4（d）所示。該器件在可見光和紅外光共同照射下表現(xiàn)出偏振相關(guān)的光響應(yīng)。

圖4 鐵電材料熱釋電效應(yīng)調(diào)控二維材料光電探測器。（a）石墨烯熱釋電輻射熱計示意圖；（b）石墨烯熱釋電輻射熱計工作原理圖；（c）P(VDFTrFE)/MoS2場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)；（d）Bi2O2Se/PMN-PT鐵電場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

這些研究成果進一步表明鐵電局域場增強促進了基于二維材料制備的紅外寬光譜探測器件的研制。

鐵電局域場調(diào)控低維結(jié)型探測器

Chen等人將單層二硒化鎢（WSe2）轉(zhuǎn)移到BiFeO3襯底上，利用壓電力顯微鏡（PFM）將鐵電襯底左右兩塊區(qū)域分別極化且極化方向相反，如圖5（a）所示。Wu等人制備了鐵電材料P(VDF-TrFE)作為柵介質(zhì)層的MoTe2晶體管，如圖5（c）所示，利用原子力顯微鏡上帶電的針尖對P(VDFTrFE)產(chǎn)生極化作用形成局域電場，進一步摻雜與之接觸的MoTe2納米片。通過調(diào)控不同區(qū)域鐵電材料的極化方向可以對MoTe2進行P型摻雜或者N型摻雜來得到面內(nèi)PN結(jié)，光電流mapping測試證實了峰值電流存在結(jié)區(qū)處，如圖5（d）所示。隨后，該研究團隊進一步采用裂柵電極結(jié)構(gòu)制備MoTe2晶體管。通過裂柵電極所加電壓不同極化P(VDF-TrFE)得到高性能面內(nèi)PN結(jié)器件，整流比高達5×10?。在探測光信號時展現(xiàn)了優(yōu)異性能，光電轉(zhuǎn)化效率為2.5%，探測波長可拓展至短波紅外（1350nm）。

圖5 鐵電局域場增強二維材料同質(zhì)結(jié)器件。（a）BiFeO3調(diào)控的WSe2面內(nèi)pn 結(jié)示意圖；（b）器件的輸出特性；（c）P(VDF-TrFE)調(diào)控的MoTe2面內(nèi)pn 結(jié)示意圖；（d）器件的光電流mapping圖

2021年，Chen等人在GeSe/MoS2異質(zhì)結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)中引入鐵電局域場，器件結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示。其中GeSe為各向異性材料，具有電學(xué)各向異性和光學(xué)線性二向色性，能夠?qū)崿F(xiàn)偏振探測。將P(VDF-TrFE)旋涂在GeSe/MoS2異質(zhì)結(jié)上作為頂柵介質(zhì)層，GeSe/MoS2的能帶結(jié)構(gòu)在鐵電極化場作用下，異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)從Ⅱ類轉(zhuǎn)化為Ⅰ類。由于鐵電偶極子的能帶工程，該器件在近紅外區(qū)域也很敏感。此外，GeSe的各向異性使得器件在可見至近紅外波段范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏的偏振探測，在鐵電局域場的輔助下，器件的偏振探測比也大大提高了，該成果為能帶工程構(gòu)建多功能器件提供了新思路。

圖6 鐵電局域場增強二維范德華異質(zhì)結(jié)器件。（a）鐵電調(diào)控異質(zhì)結(jié)GeSe/MoS2器件結(jié)構(gòu)示意圖；（b）~（d）鐵電材料處于不同極化狀態(tài)時異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)論

文中簡要介紹了鐵電局域場增強低維材料光電探測器的一些最新研究成果。這些光電器件主要依賴于鐵電材料極化形成的局域強電場作用調(diào)控低維材料中的載流子濃度，從而顯著提高其光電探測性能。傳統(tǒng)的背柵靜電場調(diào)控器件需要不間斷施加電壓，具有易失性，導(dǎo)致工作條件復(fù)雜，功耗大。鐵電材料的剩余極化可以重復(fù)反轉(zhuǎn)，因此鐵電局域場的引入不僅能夠極大地提高和拓展低維材料的光電特性和功能性，而且滿足了低功耗的需求，為獲得新一代高性能光電探測器奠定基礎(chǔ)。然而，目前鐵電局域場增強低維材料光電探測器的研究大多數(shù)集中在帶隙較寬的材料，探測波長在可見至近紅外區(qū)間，對探測中遠紅外波段的材料性能提升有待提高。主要原因是窄帶隙材料本征載流子濃度過高，很難有效提取光生載流子。因此，考慮結(jié)合鐵電局域場與其他結(jié)構(gòu)共同作用降低中長波探測材料的暗電流，有效提取光生電流是一種重要的途徑。此外，將大面積生長的二維材料與鐵電薄膜結(jié)合實現(xiàn)大面積圖形化加工制備陣列式光電子器件同樣具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

審核編輯：郭婷