近日，中科院上海技術(shù)物理研究所王建祿研究員,胡偉達研究員與中科院微電子所劉琦研究員等人合作，設(shè)計出一種極陡峭亞閾值擺幅的場效應(yīng)晶體管，并基于該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了極高靈敏光電探測功能，綜合利用了鐵電負電容效應(yīng)、鐵電極化誘導局域場效應(yīng)及“photogating”效應(yīng)，基于鐵電局域靜電場和鐵電負電容效應(yīng)的共同作用，實現(xiàn)極高探測率的室溫光電探測。
該光電晶體管的工作電壓設(shè)定為器件在暗態(tài)下的閾值電壓點，此時柵介質(zhì)鐵電層極化方向向下，鐵電局域靜電場將MoS2半導體溝道電子耗盡，有效抑制器件暗電流，提高器件信噪比。研究發(fā)現(xiàn)在光照下器件轉(zhuǎn)移特性曲線閾值電壓點發(fā)生左移，如圖所示。該現(xiàn)象源于光照多層MoS2吸收光子激發(fā)電子-空穴對，其中大量空穴被柵極鐵電局域靜電場捕獲，從而產(chǎn)生強的“photogating”效應(yīng)。通過綜合運用鐵電負電容效應(yīng)實現(xiàn)的極陡峭轉(zhuǎn)移特性（極低亞閾值擺幅）、輔以鐵電極化局域強場對半導體溝道背景載流子的抑制效應(yīng)（極低暗電流），同時借助于鐵電局域靜電場的作用下捕獲大量空穴，產(chǎn)生“photogating”效應(yīng)（類似光照誘導轉(zhuǎn)移曲線平移），獲得了極高的信噪比（>107），從而實現(xiàn)具有高探測率光電探測器件。本研究中提出的負電容光電晶體管及其工作機理，是一種普適的高靈敏光電探測器構(gòu)建方法，可廣泛應(yīng)用于半導體光電器件中，為研制超新型高靈敏光電探測器提供了新思路。
該成果以 “Ultrasensitive Negative Capacitance Phototransistors”為題在線發(fā)表于Nature Communications。本工作中，王建祿研究員、劉琦研究員和胡偉達研究員為文章共同通訊作者，博士研究生涂路奇、曹榮榮為文章的共同第一作者。
該項工作得到了國家自然科學基金委、科技部及中科院的經(jīng)費支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13769-z.
器件結(jié)構(gòu)示意圖
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