碲化鎵-二維層狀材料光電晶體管獲新進(jìn)展

二維層狀材料是近些年興起的一類新興材料，通常其層內(nèi)以較強的共價鍵或者離子鍵結(jié)合而成，而層間則是依靠較弱的范德華力堆疊在一起。尤其是2004年單原子層石墨烯的發(fā)現(xiàn)極大地推動了二維材料的發(fā)展，使其迅速成為研究前沿。然而眾所周知，本征石墨烯由于受到六重對稱性保護(hù)幾乎沒有能隙，限制了其在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用。與石墨烯相比，二維層狀半導(dǎo)體材料與生俱來的天然帶隙結(jié)構(gòu)使它們在微電子及光電子領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。此外，與傳統(tǒng)的Si及III-V族半導(dǎo)體材料相比，二維TMDC層狀半導(dǎo)體材料具有三個重要特征：(1)具有超薄的厚度，甚至達(dá)到原子級，這非常利于器件的柵極調(diào)制，并且有助于器件在縱向方向的高密度集成；(2)表面非常光滑、沒有化學(xué)懸鍵，這個特征使載流子免于表面粗糙度及陷阱態(tài)的影響，從而能夠獲得較高的載流子遷移率；(3)天然的二維結(jié)構(gòu)使其與柔性基底具有很好的兼容性，有望成為理想的柔性器件材料。上述這些特性使二維層狀半導(dǎo)體材料成為當(dāng)前研究熱點，其中硫族二維半導(dǎo)體材料尤其突出。對很多硫族半導(dǎo)體而言，陽離子空位在它們的電學(xué)性質(zhì)中扮演重要的角色，然而這些空位具體如何影響器件性能，物理機制如何理解尚未有系統(tǒng)的研究。
近期，巨納集團(tuán)長期客戶國家納米科學(xué)中心何軍課題組系統(tǒng)地研究了碲化鎵（GaTe）中陽離子空位對晶體管性能的影響機制，并且通過抑制這種作用，獲得了一種高性能的光電晶體管器件。GaTe是一個重要的III-VI族半導(dǎo)體層狀化合物材料，直接帶隙約1.7eV，在光電子器件、輻射探測器及太陽能電池領(lǐng)域極具應(yīng)用研究價值。然而由于其復(fù)雜的單斜晶體結(jié)構(gòu)及晶體的高度各向異性，使其在樣品制備及器件加工方面存在一定的困難，目前少有關(guān)于GaTe納米片的光電性能研究。研究人員通過變溫電輸運性質(zhì)測量實驗并結(jié)合第一性原理計算，首次發(fā)現(xiàn)GaTe中的Ga離子空位是導(dǎo)致其在室溫環(huán)境下高關(guān)態(tài)電流、較低開關(guān)比及較大的柵極響應(yīng)回滯等現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。通過降低器件溫度至液氮溫度~77K，各項性能均比室溫環(huán)境下得到大幅提升：FET關(guān)態(tài)電流降低了約4個數(shù)量級；開關(guān)比增強了約400倍；柵極響應(yīng)回滯也從45.0降到1.9V。在此基礎(chǔ)上，獲得了高性能的光電晶體管，光增益超過2000，響應(yīng)度大于800AW^-1，響應(yīng)時間小于0.3s。該項研究成果不僅僅對從科學(xué)上理解室溫環(huán)境下本征GaTe FET性能衰減的物理本質(zhì)，同時對從技術(shù)上找到排除影響未來GaTe材料進(jìn)一步實用化的障礙都具有重要意義。
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