由于具有原子級(jí)厚度及獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，二維半導(dǎo)體材料在光電器件應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，二維材料通常光吸收較弱，且在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，一個(gè)入射光子只能激發(fā)一個(gè)電子-空穴對(duì)，導(dǎo)致器件的光探測(cè)能力不高。一般來(lái)說(shuō)，提高光增益主要有雪崩和光柵兩種方式：雪崩機(jī)制對(duì)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(jī)制由于電荷弛豫效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致光電響應(yīng)速度顯著降低。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所科研人員與國(guó)內(nèi)多家單位的科研團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種提高光增益的新方法，他們通過(guò)選擇合適溝道和電極材料進(jìn)行能帶匹配，使其在光照下晶體管源、漏端的勢(shì)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(cè)器。題為“一種超靈敏的鉬基雙異質(zhì)結(jié)光電晶體管（An ultrasensitive molybdenum-based double-heterojunction phototransis -tor）”的研究成果于2021年7月2日在《自然·通訊》（Nature Communications）上在線發(fā)表。

該團(tuán)隊(duì)使用二維二硫化鉬作為溝道材料、氧化鉬（α-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(zhì)結(jié)，構(gòu)筑了光電晶體管（圖1）。

圖1. 光電晶體管結(jié)構(gòu)與性能。

a. 結(jié)構(gòu)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(qiáng)下的轉(zhuǎn)移特性曲線。

該晶體管展現(xiàn)出超高響應(yīng)度（＞105 A/W）、超高外量子效率（＞107 %）、在二維材料光電探測(cè)器中最高的探測(cè)度（9.8×1016 Jones）和超快光電響應(yīng)速度（約100 μs）等諸多優(yōu)異的光電特性（圖2）。

圖2. 光電性能表征與評(píng)價(jià)。

a. 噪聲密度譜；b. 響應(yīng)度；c. 外量子效率；d. 信噪比；e. 探測(cè)度；f. 光響應(yīng)速度；g. 二維材料光電晶體管性能對(duì)比。

他們構(gòu)筑了具有不同種類(lèi)源漏電極的光電晶體管，其中氧化鉬為電極的器件光響應(yīng)是鈦/金（Ti/Au）電極器件的3-4個(gè)數(shù)量級(jí)（圖3）。

圖3. 光增益正反饋工作機(jī)制。

a. 具有不同源漏電極的晶體管研究平臺(tái)：T1（Ti/Au, Ti/Au）, T2 (α-MoO3-x, Ti/Au), T3 (Ti/Au, α-MoO3-x), T4 (α-MoO3-x, α-MoO3-x；  b. 光電晶體管在暗態(tài)（黑色）和光照（彩色）下的轉(zhuǎn)移特性曲線；   c-d. 器件光電流的空間分布響應(yīng)圖。

結(jié)合對(duì)材料能帶結(jié)構(gòu)的光學(xué)表征和理論計(jì)算，他們還提出了雙異質(zhì)結(jié)光致勢(shì)壘降低機(jī)制的器件工作原理（圖4），

圖4 雙異質(zhì)結(jié)光致勢(shì)壘降低機(jī)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(tài)下器件的能帶結(jié)構(gòu)圖；d.暗態(tài)下器件的肖特基勢(shì)壘高度定量表征；e.光照下器件的能帶結(jié)構(gòu)圖；f. 光照下器件的肖特基勢(shì)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（α-MoO3-x, Ti/Au）的工作原理圖；i. 器件T3（Ti/Au，α-MoO3-x）的工作原理圖。  

即在暗態(tài)下氧化鉬/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)形成大的肖特基勢(shì)壘，源端電子無(wú)法注入到溝道中，實(shí)現(xiàn)了超低暗電流和噪聲。在光照條件下，電子-空穴對(duì)在源端耗盡區(qū)生成，隨后在內(nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下高效分離，載流子的濃度變化導(dǎo)致了源端電子勢(shì)壘的降低，實(shí)現(xiàn)了電子注入和光增益；注入的電子又可降低漏端電子勢(shì)壘，增大光電流；而這又進(jìn)一步增強(qiáng)源極內(nèi)建電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了雙異質(zhì)結(jié)間的正反饋效應(yīng)，獲得了超高響應(yīng)度和探測(cè)度。同時(shí)由于不使用陷阱束縛電荷，器件還具有高響應(yīng)速度。該工作提出了一種具有普適性意義的提高光電探測(cè)器增益的方法，可推廣至其他二維材料體系，為未來(lái)構(gòu)建超靈敏光電探測(cè)器開(kāi)辟了新思路。

馮順博士研究生、劉馳項(xiàng)目研究員為文章共同第一作者，孫東明研究員、成會(huì)明院士、尹利長(zhǎng)研究員和南京大學(xué)王肖沐教授為文章共同通訊作者。南京大學(xué)王肖沐教授團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)開(kāi)展了噪聲和響應(yīng)速度測(cè)試及工作機(jī)制分析與研究，尹利長(zhǎng)研究員在電子結(jié)構(gòu)計(jì)算和理論分析方面提供支持。任文才研究員和張莉莉項(xiàng)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(shù)支持。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、遼寧省興遼英才計(jì)劃和沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心等項(xiàng)目支持。