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程志海教授课题组及其合作团队在超灵敏铁电半导体光电晶体管研究领域取得重要进展

2022-07-11

近日,中国人民大学物理学系-程志海教授课题组和国家纳米科学中心-王振兴研究员课题组等多个研究团队通力合作,研发了一种在铁电半导体通道中采用光诱导铁电反转机制的超高灵敏光电晶体管。该类型光电二极管显示了创纪录的低噪声等效功率为7.9 × 10−22 W Hz−1/2,创纪录的高比探测率为6.34 × 1017 Jones,在光子计数模式下灵敏度接近20光子,在上升/衰减周期内快速时间响应为260 µs/50 ns。此外,其还可以作为一种光电存储器,其开/关比可达2.9 × 105,保留时间超过10年,续航时间超过106个周期。相关研究成果以“Ultrasensitive Ferroelectric Semiconductor Phototransistors for Photon-Level Detection”为题发表在7月5日在线出版的《Advanced Functional Materials》上。

对极弱光敏感的光电探测器在量子通信、自适应光学和空间成像等广泛应用中备受关注。为了实现高灵敏度,增益必须足够高。为了将探测极限降低到皮瓦、飞瓦、甚至单光子计数模块(SPCM),人们设计了具有高增益的光电探测器。一个例子是使用爱因斯坦光电效应的光电倍增管(PMT),其中从光电阴极发射的光电子被一系列倍增电极之间的高电压加速。在此过程中涉及碰撞电离和二次电子发射,产生~106的增益和~0.1fW的灵敏度。通过碰撞电离的信号放大也可以在固体半导体中实现,为雪崩光电二极管(APD)奠定了基础。当在P-I-N结上施加大的反向偏置时,光生载流子可以在耗尽区获得高动能,从而导致电荷雪崩和雪崩增益。通常,商业APD的增益~107,灵敏度低至SPCM。然而,PMT和APD都需要高工作电压,这与先进的CMOS技术不兼容,因此难以应用于新一代弱光图像传感器。此外,它们仍然存在响应性率、制造复杂和操作不便的问题。

文章提出了一种具有本征高增益的弱光铁电半导体光电晶体管(FSP)。FSP具有简单的类晶体管器件结构,使用铁电半导体α-In2Se3作为沟道。其高增益源于铁电性和半导体性之间的耦合,以及α-In2Se3中的光致铁电切换。通过将FSP设置为非易失性极化状态,可以实现极低的暗电流,对应于高电阻状态。并且光可以将其切换为极化向下方向,对应于低电阻状态,从而产生光响应性质。由于铁电反转后的高效光生载流子注入和巨大的电导变化,FSP可以实现极高的光探测增益和灵敏度。

图1. 采用电压脉冲测试模式测量的铁电半导体光电晶体管的光电性质。

文章发展和利用低温原位开尔文探针力显微镜(KPFM)和静电力显微镜(EFM)进一步测量研究了FSP的光响应机制。FSP采用具有α-In2Se3暴露顶面的器件结构,这样就可以在施加外部光电刺激的同时原位监测电势和电阻动态。在成像之前,通过施加4 V的VGS脉冲将器件预设为HRS。该器件在三种状态下具有明显不同的表面电势(VSP)分布,这表明光确实会在α-In2Se3沟道上带来显著且非易失性的变化。沟道的平均VSP从黑暗状态(高阻态)下的-0.06 V变为光打开状态下的-0.13 V,最后变为光关闭状态(低阻态)下的-0.27 V。这种光诱导的非易失性电位变化和去除光照后异常的负移表明了发生了光诱导的铁电极化反转。

图2. 铁电半导体光电晶体管的低温原位KPFM表征及其光诱导铁电转换模型。

该研究成果以“Ultrasensitive Ferroelectric Semiconductor Phototransistors for Photon-Level Detection” 为题发表在7月5日在线出版的《Advanced Functional Materials》上。程志海课题组一直致力于发展先进扫描探针显微技术,并利用其在低维材料和表界面物理体系开展创新性研究工作,在本文中主要负责了相关扫描开尔文显微学表征方面的工作。相关研究工作得到了科技部-国家重点研发专项、国家自然科学基金、以及中国人民大学研究基金等的资金支持。

原文链接:

Yang, J., Wang, F., Guo, J., Wang, Y., Jiang, C., Li, S., Cai, Y., Zhan, X., Liu, X., Cheng, Z., He, J., Wang, Z., Ultrasensitive Ferroelectric Semiconductor Phototransistors for Photon-Level Detection. Adv. Funct. Mater. 2022, 2205468.

https://doi.org/10.1002/adfm.202205468

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