在微纳半导体光电器件研究上取得系列进展学术资讯

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光电探测器作为光电系统中接收端的核心器件，其性能指标直接影响到光电系统的整体性能。湖南大学物理与微电子科学学院邹旭明副教授聚焦新型半导体材料光电器件的研究，近期取得了系列进展，在国际高水平刊物上发表多篇研究论文。

传统光电探测器存在灵敏度低、噪声高、光谱带宽不足、光学结构设计复杂等缺点。基于光栅效应的光电晶体管是解决以上问题的选择之一，但目前普遍存在的迟滞效应妨碍器件的稳定运行，同时探测器也面临高线性度与高响应度难以并存的矛盾。为解决以上问题，团队以高迁移率二维半导体材料为导电沟道，高k材料/层状钙钛矿为光敏电介质，构筑二维半导体复合结构光电探测器。前者适应器件微型化、低功耗及超快传输性能的需求，后者实现高效率的光吸收，制备出具备超高灵敏度、强稳定性、高线性度、宽光谱响应范围光探测能力的高性能光电探测器。相关研究成果以“Rational design of Al2O3/2D perovskite heterostructure dielectric for high performance MoS2phototransistors”为题发表在Nature Communications, 2020, 11, 4266。

受光吸收层中陷阱电荷湮灭时间的影响，光电晶体管响应时间通常非常缓慢，超高灵敏度及快速响应时间难以同时实现。针对这一问题，研究团队基于Frenkel-Poole发射理论，在光电晶体管中构筑不对称肖特基势垒，对光吸收层中陷阱电荷施加强电场作用加以萃取，实现响应时间的精确调节。另外，传统光电二极管工作在反偏状态时，尽管具备暗电流低、响应时间快的优点，但是光电导增益受限，弱光探测能力不足。研究团队提出钙钛矿/黑磷/硫化钼光电二极管结构，将钙钛矿材料直接带隙、高吸收系数、低激子束缚能等优异的光学性质与二维半导体高迁移率、超薄平面结构特征相结合，实现具备低噪音、高光开关比、高增益、快速响应特征的光电探测器。上述工作发表在ACS Nano, 2019, 13, 4804-4813和Small, 2019,15, 1901004。

另外，根据金属氧化物半导体制备工艺简单、成本低、与各种廉价柔性衬底相匹配的特点，研究团队基于钙钛矿/金属氧化物半导体异质结构，采用金属氧化物半导体作为导电沟道及钙钛矿封装保护材料，结合器件结构创新，制备出具备大面积、环境稳定、柔性、超灵敏、宽光谱响应特征的光电探测器面阵列。相关研究成果发表在Advanced Materials, 2020, 32, 1907527和Small, 2020, 16, 1905609。

上述研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中科院先导专项及湖南省自然科学基金相关项目的支持。

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