西工大/南工黄维院士程迎春教授团队Adv. Mater.：线性可调的高性能垂直双栅范德华光电探测器

【引言】

层状二维半导体因其优异的光学和电学特性在光电探测器中得到了广泛的应用。通过光致栅控效应(PGE)、光电导效应(PCE)、光伏效应(PVE)、光热电效应(PTE)等，基于二维半导体的光电晶体管或二极管表现出了优异的光电探测性能。高增益且线性的光电响应对高分辨光电探测具有重要意义，但是很难在单一沟道或p-n结器件中实现。若将晶体管和二极管的优势结合起来，有可能实现高性能且线性响应的光电探测器。

【成果简介】

近日，西北工业大学与南京工业大学的黄维院士程迎春教授团队与甘雪涛教授课题组合作，采用干法转移技术制备了基于多层双极型WSe₂的垂直双栅光电晶体管。通过双栅产生的垂直电场调节光电导增益，表现出高性能的线性光电响应。实验结果表明，在线性光响应状态下，光电响应度可达≈ 2.5×10⁴ A W⁻¹。垂直电场下的内建p-n同质结有助于光生电子-空穴对的分离，同时也大大降低了光电晶体管的噪声，导致了高达≈ 2×10¹³ Jones的光电探测度。优异的光电探测性能为层状二维半导体在高分辨和定量光电检测方面的应用提供了一种设计思路。该成果以题为“Tunable linearity of high-performance vertical dual-gate vdW phototransistor”发表在了Adv. Mater.上。第一作者为博士研究生徐金鹏与罗小光博士。罗小光博士2018年加入西工大，入选2019年度“博新计划”，获批国家自然科学基金-青年科学基金等基金。

【图文导读】

图1 垂直双栅WSe₂光电探测器结构示意图

a)垂直双栅WSe₂光电探测器结构示意图。S:源极，D:漏极，TG:顶栅，BG:底栅，Gr:石墨烯，hBN-T/B: 顶部/底部hBN纳米片。

b)叠层结构示意图，其中WSe₂通道被Si/SiO₂衬底上的两个hBN纳米片夹在中间。

c)金电极和多层WSe₂的能带图。

图2 双栅WSe₂光电晶体管的电学特性和光响应。

a)不同漏极电压V_ds下底部栅控的转移曲线。左下角和右下角的插图分别描绘了器件在p型和n型分支中的能带结构，绿色箭头线表示肖特基势垒高度。

b)双栅栅控时，顶栅电压V_tg从−3 V增加到3 V的转移曲线，电压增幅为1 V，漏极电压V_ds= 0.1V。

c)沿剖面WSe₂通道垂直方向，不同顶栅电压V_tg下计算的电势，背栅电压V_bg= −75 V。eV的单位与符号无关。插图指出了器件中定义的坐标，这里不考虑漏极电压的影响。

d)不同顶栅电压下（V_tg=0 V和2V），光电晶体管在暗态和光照状态的栅控响应，V_ds= 0.1 V。

e)左图为器件的光学显微照片，另外两个图分别是V_tg= 0和3 V时的扫描光电流图，V_ds=0.1 V。

f)V_tg= 3 V，V_ds=0 V时的扫描光电流图。所有光电流扫描的底栅电压V_bg= −70 V，激光功率约30 nW。e, f图说明了器件的光电流产生在WSe₂沟道中，不存在光伏效应。

图3 双栅WSe₂光电探测器的光响应特性，V_ds= 0.1 V

a-c) 顶栅电压V_tg分别为−1，0，3V时，光电流(I_ph)和激光功率密度(P_in)的对数关系图。不同的线性区域可以通过颜色来区分。

d-f) 在光照下WSe₂通道的横截面中载流子行为的示意图，红色/蓝色球体表示电子/空穴，能带中的离散线段和红色虚线分别描绘陷阱状态和费米能级，靠近中间带隙的橙色区域表示复合中心。值得注意的是，费米能级也随着激光强度的增加而弯曲。

图4 双栅WSe₂光电探测器的光响应特性，V_ds= 0.1 V，V_bg= −75 V

a)不同顶栅电压V_tg下响应度和激光强度的对数关系图。

b-c) 相应的噪声电流谱密度S(f)和探测度(D*)。图a和c中的浅红色区域表示线性光响应区，V_tg= 2 V。

d)器件放置9个月后的瞬态光响应，激光功率密度约为 ~ 0 mW cm⁻²。激光的开关频率设定为200 Hz。

【小结】

用干法转移制作了垂直双栅WSe₂光电晶体管，其中多层双极型WSe₂通道由hBN纳米片夹在中间，均匀的顶栅由透明石墨烯制成。在WSe₂通道内的垂直电场可使用双栅进行调节，导致电荷在WSe₂两个界面上积累。当反向偏置双栅时，形成双通道导通，内建垂直p-n同质结能有效分离光生电子-空穴对，降低器件的1/f噪声。通过调节顶部和底部栅压，光电导增益被调节为恒定，这是线性光响应的关键。从结果看，作者实现了具有高响应度~2.5×10⁴ A W⁻¹和高探测度~2×10¹³ Jones的线性光响应。与最新的基于WSe₂的光电探测器相比，该垂直双栅WSe₂光电晶体管在可调线性光响应机制下表现出卓越的探测性能。线性光响应有可能通过调节双栅得到进一步的优化，并且可以通过增加介质电容来降低大的栅电压，例如使用更薄或更高κ的电介质。总之，垂直双栅WSe₂光电晶体管具有可调线性光响应和高性能，为多层2D半导体的高分辨率和定量光检测提供了一个有前景的策略。

文献链接：Tunable linearity of high-performance vertical dual-gate vdW phototransistor（Adv. Mater.，2021，DOI: 10.1002/adma.202008080）

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