由于具有原子級厚度及獨特的能帶結構，二維半導體材料在光電器件應用領域展現出獨特的優勢。然而，二維材料通常光吸收較弱，且在光電轉換過程中，一個入射光子只能激發一個電子-空穴對，導致器件的光探測能力不高。一般來說，提高光增益主要有雪崩和光柵兩種方式：雪崩機制對材料能帶的匹配要求苛刻，且需在高偏置電壓下工作；而光柵機制由于電荷弛豫效應，會導致光電響應速度顯著降低。

　　中國科學院金屬研究所科研人員與國內多家單位的科研團隊合作，提出了一種提高光增益的新方法，他們通過選擇合適溝道和電極材料進行能帶匹配，使其在光照下晶體管源、漏端的勢壘降低并形成正反饋，從而獲得了超高靈敏度的二維材料光電探測器。題為“一種超靈敏的鉬基雙異質結光電晶體管（An ultrasensitive molybdenum-based double-heterojunction phototransistor）”的研究成果于2021年7月2日在《自然 通訊》（Nature Communications）上在線發表。

　　該團隊使用二維二硫化鉬作為溝道材料、氧化鉬（-MoO3-x）為電極材料，在晶體管源端和漏端形成了二硫化鉬/氧化鉬雙異質結，構筑了光電晶體管（圖1）。該晶體管展現出超高響應度（＞10⁵ A/W）、超高外量子效率（＞10⁷ %）、在二維材料光電探測器中最高的探測度（9.8 10¹⁶ Jones）和超快光電響應速度（約100 s）等諸多優異的光電特性（圖2）。

　　他們構筑了具有不同種類源漏電極的光電晶體管，其中氧化鉬為電極的器件光響應是鈦/金（Ti/Au）電極器件的3-4個數量級（圖3）。結合對材料能帶結構的光學表征和理論計算，他們還提出了雙異質結光致勢壘降低機制的器件工作原理（圖4），即在暗態下氧化鉬/二硫化鉬異質結形成大的肖特基勢壘，源端電子無法注入到溝道中，實現了超低暗電流和噪聲。在光照條件下，電子-空穴對在源端耗盡區生成，隨后在內建電場驅動下高效分離，載流子的濃度變化導致了源端電子勢壘的降低，實現了電子注入和光增益；注入的電子又可降低漏端電子勢壘，增大光電流；而這又進一步增強源極內建電場，從而實現了雙異質結間的正反饋效應，獲得了超高響應度和探測度。同時由于不使用陷阱束縛電荷，器件還具有高響應速度。該工作提出了一種具有普適性意義的提高光電探測器增益的方法，可推廣至其他二維材料體系，為未來構建超靈敏光電探測器開辟了新思路。

　　馮順博士研究生、劉馳項目研究員為文章共同第一作者，孫東明研究員、成會明院士、尹利長研究員和南京大學王肖沐教授為文章共同通訊作者。南京大學王肖沐教授團隊重點開展了噪聲和響應速度測試及工作機制分析與研究，尹利長研究員在電子結構計算和理論分析方面提供支持。任文才研究員和張莉莉項目研究員分別在氧化鉬晶體和材料顯微表征方面提供支持，甄超副研究員和陳偉副研究員分別提供了吸收光譜和真空退火研究方面的技術支持。該研究工作得到了國家自然科學基金委、中科院、遼寧省興遼英才計劃和沈陽材料科學國家研究中心等項目支持。

　　全文鏈接

圖1. 光電晶體管結構與性能。a. 結構示意圖；b. 原子力顯微鏡圖；c. 器件截面透射電子顯微鏡圖；d. 不同光強下的轉移特性曲線。

圖2. 光電性能表征與評價。a. 噪聲密度譜；b. 響應度；c. 外量子效率；d. 信噪比；e. 探測度；f. 光響應速度；g. 二維材料光電晶體管性能對比。

圖3. 光增益正反饋工作機制。a. 具有不同源漏電極的晶體管研究平臺：T1（Ti/Au, Ti/Au）, T2 (-MoO_3-x, Ti/Au), T3 (Ti/Au, -MoO_3-x), T4 (-MoO_3-x, -MoO_3-x)；b. 光電晶體管在暗態（黑色）和光照（彩色）下的轉移特性曲線；c-d. 器件光電流的空間分布響應圖。

　　圖4 雙異質結光致勢壘降低機制。a. 氧化鉬退火前后的吸收光譜；b. 氧化鉬的紫外光電子能譜；c.暗態下器件的能帶結構圖；d.暗態下器件的肖特基勢壘高度定量表征；e.光照下器件的能帶結構圖；f. 光照下器件的肖特基勢壘高度定量表征；g. 器件T1（Ti/Au, Ti/Au）的工作原理圖；h. 器件T2（-MoO_3-x, Ti/Au）的工作原理圖；i. 器件T3（Ti/Au，-MoO_3-x）的工作原理圖。