客户成果丨华师《Advanced Optical Materials》：MoTe2GrSnS0.25Se0.75二维晶体管，高光增益与可重构偏振

在范德瓦尔斯二维光电器件研究中，为了提高整体性能和引入新的功能，越来越多的研究员利用双异质结的协同效应。如P-石墨烯-n（PGN）结构，利用石墨烯层增强光谱吸收、促进载流子传输效率、减少界面电荷陷阱等优点以增强器件性能。然而，这些PGN异质结依赖于固定带隙的二元化合物半导体，而不是具有可调谐电子结构、最佳光响应行为和浅层缺陷的三元化合物半导体。因此，多功能应用的光电性能遇到了瓶颈。近年来，合金工程被认为是通过调节带隙和光电特性来解决这一问题的有效策略。这种方法既保持了基本的电子性质，又能调节带隙，也能减轻能带深层缺陷的影响。因此，三元合金异质结可能表现出最佳的光响应性能。

华南师范大学电子科学与工程学院（微电子学院）的高伟副研究员&广东工业大学郑照强副教授&广州大学罗东向教授利用范德华双异质结（PGN）和合金工程，设计了一种栅压偏压可调控的多功能光电晶体管，能够在光栅模式、光电导模式、光伏模式和偏振下进行光探测，并实现了高光增益和可重构偏振光探测。相关研究成果以“2D Multifunctional Phototransistor Based on MoTe2/Graphene/SnS0.25Se0.75 Heterostructure with High Photogain and Reconfigurable Polarized Detection”为题发表在《Advanced Optical Materials》上。

图1 MoTe2/Gr/SnS0.25Se0.75异质结在负偏压下的光栅性能和输运机理。

在这项工作中，我们通过物理气相沉积法（PVD）成功地生长了p型SnS0.25Se0.75纳米片。随后，设计了MoTe2/Gr/SnS0.25Se0.75 垂直范德华双异质结的全二维多功能光晶体管。其次，结合文献数据和实验数据，通过理论计算得到MoTe2、Gr、SnS0.25Se0.75的费米能级位置。

在栅压调控下，转移曲线呈现出双极性特性，其电荷中性点电压（Vcnp）显著右移。这种转移曲线的补偿性位移与陷阱诱导的光栅效应密切相关，在我们的器件中Vcnp的正位移归主要因于SnS0.25Se0.75纳米片内在光照下升高的电子陷阱态，导致部分光生电子被捕获。而光诱导空穴被转移到MoTe2和Gr侧。因此，Vcnp向正Vgs转移，以补偿异质结通道内的电子，从而保持电子和空穴之间的电荷平衡。同时，在栅压调控下，p型阈值电压（Vth，p）从-22.6 V显著转移到-18.5 V和较低的Iph&P拟合指数（α = 0.2和0.31），进一步表明光栅效应占主导地位。（图1）

在光栅效应下，该器件在Vds = -4 V和Vgs = -52 V条件下获得最大光增益(G)、比探测率(D*)和响应率(R)分别为3920、2.85×1012 Jones和 2000 A W−1。另外，该器件在Vds = 4 V和Vgs = -30 V条件下获得本文最大G、D*和R分别为8084、8.2×1012 Jones和4100 A W-1。（图1）

图2 MoTe2/Gr/SnS0.25Se0.75异质结的光电导光谱特性和光伏特性。

在光导效应下，该器件具有400-1380 nm的宽带光谱，在570 nm下达到高R和D*为36.9 A W-1和7.17×1011 Jones。 在光伏效应下（自驱动），635 nm下的R为501 mA W-1，D*为1.4×1011Jones，Ilight/Idark比为2850。 相较于MoTe2/SnS0.25Se0.75单异质结显示出的极弱光伏响应，突出了Gr中间层在光伏效应中减轻界面电荷陷阱和促进载流子输运方面的重要作用，从而证明了双异质结结构的优越性。（图2）

该器件随着偏振角的变化，光电流呈现出一个具有180°的周期性变化，自驱动光电流极化比（PR）为8。在栅压调制下，偏振比可以在1到2.5范围内调整，突出其可重构偏振特性。总之，我们的研究提出了一种创新的具有可重构偏振检测的多功能光电晶体管。（图3）

图3 MoTe2/Gr/SnS0.25Se0.75异质结的偏振光检测和可重构偏振特性。

该工作通过使用TuoTuo Technology的无掩膜光刻机完成MoTe2/Gr/SnS0.25Se0.75异质结的电极图案光刻过程。该研究得到了国家自然科学基金委员会、中国国家重点研发计划和广州市科技计划项目等项目的资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202401739