西安交大团队在关于二硫化钼铁电场效应晶体管光电探测器的研究中取得新进展

信息时代的人工智能、物联网等多种新型应用都依赖于功能半导体器件和集成电路的发展。“后摩尔时代”的到来激发了多功能硅基集成器件的发展，其中，光电探测器是一个重要组成部分。目前主流光电探测器为硅基器件，难以实现宽光谱探测，响应率与探测率不能满足需求。利用二维材料二硫化钼(MoS2)和铁电铪基氧化物（例如Zr掺杂的HfO2，HZO）等新型材料构建的半导体硅工艺兼容的光电探测器件具有极大应用潜力，但目前面临着器件制备工艺、结构优化和暗电流较高等挑战，因此其工作物理机制需要进一步研究，探测率和响应度等关键参数需要进一步提升。

近日，西安交通大学电信学部电子学院任巍教授、牛刚教授团队利用基于二硫化钼沟道和外延铁电HZO薄膜栅介质的光电晶体管实现了高响应度光电探测。本工作是在精密微纳制造技术全国重点实验室和电子陶瓷与器件教育部重点实验室支持下完成的。该工作利用优化的具有背栅结构和肖特基对650 nm波长光电响应进行了实验验证并实现良好的光电探测性能。将半导体硅工艺兼容性好、铁电畴取向一致性高的外延铪基铁电薄膜应用于此类器件，有助于提高器件性能并研究相关重要物理现象，包括双极电学行为和负光电导性。

在对二硫化钼材料特性，以及器件电特性和光电特性的研究基础上，研究团队阐明了二硫化钼光电探测器铁电调控性能的原因，包括：光门控效应和铁电极化场对沟道载流子的调控。实验中还观察到了具有-8.44×10A W高响应度的负光电导，这对于极弱光探测具有重要意义。

图1.9 nm厚外延HZO薄膜表征。

图2.二硫化钼背栅场效应晶体管结构与表征。

图3.二硫化钼背栅场效应晶体管电特性。

图4.二硫化钼场效应晶体管能带图。

图5.在650 nm光照下二硫化钼场效应晶体管的光电响应。

图6.二硫化钼场效应晶体管负光电导效应原理示意图。