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缪峰教授课题组在二维材料异质结光电器件领域

作者: 产品评测  发布:2019-12-16

附:

该研究工作得到了国家杰出青年科学基金、科技部重大科学研究计划等的支持。

(物理学院 科学技术处)

850, 1310 和1550 nm 这三个波段是光纤损耗比较低的波段,被广泛应用于光纤通讯,该光存储器能有效将这三个光纤通讯波段的光信号转换为电信号并实现稳定存储。这种应用于红外通讯波段的非易失性存储器目前是首次报道。

在这项工作中,课题组首先利用二维材料可控转移技术制备了具有浮栅结构的范德华异质结(如图a所示,图中ReS2,hBN,MoS2分别作为沟道层,势垒层,浮栅层)。这种异质结表现出超过107的高开关比、超过104s的阻态保持时间等优异的存储性能,这来源于浮栅层对沟道层载流子浓度的有效调控。该工作发现光照也可以有效地控制沟道层与浮栅之间的载流子转移。从而同样实现对沟道载流子浓度的调控。通过控制载流子的转移过程,有希望实现正负光电导之间的相互转换。在实验上,通过对具有浮栅结构的异质结分别施加正负脉冲栅压,在撤去脉冲后,器件分别展示出了正光电导和负光电导效应(图c,蓝色线代表正光电导效应,红色线代表负光电导效应),两种效应之间可以通过栅压调控来实现相互转换。进一步的研究发现在不同功率的光照射下,器件可以保持在不同的电导状态。基于这种负光电导效应,该课题组提出了一种多态光存储器件模型,展现了该类器件在未来低功耗多态光电存储领域的应用潜力。

MoS2/PbS 红外非易失性存储器结构示意图与光电输运

电导效应是一种光照变化引起材料电导变化的基本物理现象。对于半导体材料,在吸收大于带隙的入射光子能量后产生光生载流子,根据导致材料导电性的增强或减弱,光电导效应也相应分为正光电导和负光电导两种效应。这两种光电效应在低能耗、高频率响应光电器件等领域展现了重要的应用前景,也受到了广泛的研究关注。如果能够在同一器件中同时实现正负两种光电导效应,以及这两种效应之间的高效调控,将有望为发展新型光电探测器、高性能光电存储器等应用提供新的思路。

在二维半导体材料可控生长及其电子和光电子性质的研究基础上,何军课题组进一步实现了一种基于二维材料MoS2/PbS范德华异质结的红外非易失性存储器。该器件能把红外光信号高效地转换为电信号,而且能实现稳定存储。这种器件不仅展现出了极高的红外光探测性能:光响应度超过107安培每瓦,光增益超过1011,探测率超过1015琼斯,而且具有极其稳定的光存储性能,存储时间超过104秒。此外该存储器可以通过脉冲栅压擦除,经过2000次循环仍能保持稳定。结合理论模型与实验数据,研究人员发现光存储机制来源于PbS中光生电子注入MoS2,界面势垒ФR阻止MoS2里面的电子反向注入PbS。光生空穴被局域在PbS价带或者缺陷产生光栅作用,诱导电子浓度大约2.4×1024 cm-3,出现光存储。加脉冲栅压MoS2电子浓度增加,MoS2中电子通过量子遂穿注入PbS与局域空穴复合,光存储被擦除。当脉冲栅压从10增加到100V,栅压诱导的电子从0.6×1024 增加到2.5×1024 cm 3 ,这个值跟光栅诱导的电子浓度非常接近。以上实验观测与理论模型相一致。

图a) 基于浮栅的ReS2/h-BN/MoS2范德华异质结光电晶体管器件;b) 器件的存储性能,高开关比长保持时间;c)栅压调控的正光电导和负光电导效应;d)基于负光电导的多态光存储器件模型,读出电流和存储态的对应关系, “0”代表无光照射时的读出电流、”1”、“2”、”3”对应不同功率光照射10 s, 撤去光照后的读出电流。

二维层状半导体材料是层内以强的共价键或离子键结合而成,而层与层之间依靠弱的范德华力堆叠在一起的一类新型材料。通常其表面没有化学悬键,这个特征使载流子免于表面粗糙度及陷阱态的影响,从而能够获得较高的载流子迁移率。但超薄的特性导致其具有小的吸收截面,二维的尺寸限制和低的静电屏蔽导致二维材料具有大的激子束缚能,而且强烈的库伦相互作用也会通过俄歇过程增加光生电子空穴在缺陷处的复合。这些弊端都限制了二维材料在光电探测上的应用。

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