北理工在巨斯塔克效應驅動的軌道柵控用于實現高性能隧穿光電晶體管方面取得重要進展
發(fā)布日期：2022-03-07 供稿：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數：電柵控通常是當前許多電子和光電器件的核心操作。電柵控可通過各種方法執(zhí)行,，包括場效應晶體管(FET)中的外部柵極偏置,、閃存中的俘獲電荷以及光電探測器中的光柵控效應,。所有這些柵控策略都針對傳統(tǒng)3D器件進行了優(yōu)化。因此,，尋求對低維材料（例如層狀材料）進行柵控的替代方法來實現概念上的高性能新光電器件變得非常必要,。特別是，沒有復雜制造過程的柵控機制對于探索基于低維材料的新型功能器件是當前的一個努力方向,。源自外部電場層間電位梯度的巨斯塔克效應是原子薄層狀半導體的獨特特征,。正如之前研究報道的那樣，層間激子峰可以被外部電場分成幾個獨立的分支,。層間激子峰之間的能量分裂高達120 meV,，是傳統(tǒng)斯塔克效應的100倍。但其潛在的優(yōu)勢尚未得到充分認識或充分用于器件應用,。范德華(vdW)半導體中的弱層間相互作用會在幾納米的層狀半導體厚度上產生數十毫電子伏(meV)的能帶偏移,。然而，到目前為止,，沒有復雜表面狀態(tài)的vdW半導體中的表面光伏（SPV）仍未被探索,，盡管它有望實現基于能帶偏移的新器件功能，即通過巨斯塔克效應的選擇性軌道柵控。
日前, 北京理工大學孫林鋒教授和韓國科學技術高等研究院（KAIST）Heejun Yang教授和（共同通訊作者）等合作在基于2H-MoTe2的隧穿光電晶體管中展示了由巨斯塔克效應驅動的軌道柵控,，而無需在光柵控中使用外部柵控偏置或慢速電荷俘獲動力學的調控,。光照的原始自柵控通過打開和關閉巨斯塔克效應來調節(jié)層間電位梯度，其中Mo原子的dz2軌道起主導作用,。軌道柵控將MoTe2頂部原子層的電子能帶移動了高達100 meV,，這大約相當于通過電柵控調制7.3×1011 cm-2的載流子密度。由于抑制了傳統(tǒng)的光電導,，隧穿光電晶體管中的軌道柵控同時實現了低暗電流,、實用的光響應率(3357 AW-1)和快速on/off切換時間(0.5 ms)。文章以“Orbital Gating Driven by Giant Stark Effect in Tunneling Phototransistors”為題發(fā)表在頂級期刊Advanced Materials上,。
圖1. 隧穿光電晶體管中MoTe2 K能帶邊緣的軌道柵控,。（A）基于四層MoTe2和h-BN隧穿勢壘的隧穿光電晶體管的示意圖。（B&C）MoTe2 K能帶邊緣和Q能帶邊緣層相關的電子概率密度,。（D&E）黑暗條件下和光照下隧穿光電晶體管的能帶示意圖,。
MoTe2隧穿光電晶體管的示意圖如圖1A所示。使用h-BN薄層（≈7 nm厚）作為隧穿勢壘,，同時也可以鈍化MoTe2器件溝道,。h-BN的厚度選擇是以平衡黑暗和光照條件下的電流來決定的，從而達到器件應用需要的小暗電流和大光電流,。實驗證明, 當h-BN的厚度為7 nm時,，響應率可以最大化。較厚的h-BN產生微弱的隧穿電流,，而較薄的h-BN通過漏電流削弱軌道柵控,，從而降低頂部MoTe2層的累積電荷密度。然而,，本文在隧穿光電晶體管中構思了一種帶有h-BN層的新型軌道柵控,。除了作為隧穿勢壘的作用外，h-BN介電層在下方MoTe2中產生逐層電勢梯度,，這被稱為巨斯塔克效應（圖1B-D）,。h-BN中俘獲的正電荷施加外部電場（圖1B和C中的x軸）并將電子吸引到MoTe2的頂部原子層。層相關的電子積累隨原子軌道而變化,。Mo原子的d軌道,，尤其是布里淵區(qū)K點的dz2軌道，在將電子積累到頂層中起主導作用,，如圖1B中的黑色箭頭所示,，而Te的p軌道原子，尤其是Q點的pz軌道,，對電勢梯度的貢獻很?。▓D1C）,。注意到導帶在K點和Q點的軌道特性是不同的，Q帶主要由沿面內方向擴展的軌道組成（即dxy+dx2-y2）,，而K帶主要由沿面外方向（即dz2）分布的軌道組成,。因此，Q帶和K帶之間的能帶偏移會因施加的電場而改變,，并且相當多的電子可以在電場作用下占據K帶,。
層間電勢梯度源自h-BN在垂直方向上的Thomas-Fermi屏蔽，產生了原子薄層狀半導體厚度相關的功函數,。對h-BN層覆蓋的2H-MoTe2的KPFM研究表明,，隨著MoTe2厚度增加，功函數降低,，這個結果與沒有使用h-BN覆蓋的2H-MoTe2形成對比,。減小的功函數表明從襯底向下的逐層電勢轉移，如圖1D所示,。費米能級接近頂部MoTe2層的導帶，有效地屏蔽了固定在h-BN中的原生正電荷,。光誘導軌道柵控的關鍵如圖1E所示,。當能量大于MoTe2帶隙的光照射時，會產生光激發(fā)的電子和空穴,，并通過Mo原子的d軌道被電位梯度替換,，電子通過圖1D中的初始能帶排列向MoTe2的頂面移動。在h-BN層存在的情況下,，電子不能自由地轉移到電極上,，因此積累在頂部的MoTe2層中。累積的電子更有效地屏蔽了固定在h-BN中的正電荷,，并使下面原子層（靠近襯底的兩層）的能帶變平,，如圖1E所示。因此,，初始能帶彎曲（來自h-BN垂直屏蔽的巨斯塔克效應）被光照改變,，在MoTe2的頂部原子層中積累更多電子（光摻雜效應）。然而,，在光照下沒有電位梯度（能帶彎曲）時,，下面的原子層不能有效地貢獻光電流。
圖2. 隧穿光電晶體管性能,。（A）黑暗條件和光照條件下的轉移曲線,。（B）在黑暗條件和三種不同功率激光照射下，Ids與Vds的關系,。（C）在Vg="30,、50和70V且Vds=3V時,，光照下功率相關的光電流。（D）在三個不同柵極電壓(λ=638nm)下,，響應率與光功率密度的關系,。（E）時域中的光電晶體管開關操作。（F）光電晶體管的響應時間和響應率的比較,。
在圖2A的雙極性轉移曲線中觀察到MoTe2頂部原子層中累積電子的柵控效應,。隧穿電流（漏-源溝道電流，Ids）主要由頂部MoTe2層（即頂部原子層的選擇性軌道柵控）的載流子密度變化調制,，隧穿概率隨距離呈指數下降,，這對來自下方MoTe2層的隧穿電流的貢獻很小。因此,，在本研究中,，vdW材料中的原子間逐層電勢梯度，也稱為巨斯塔克效應,，首次用于軌道相關的電子器件應用,。特殊的光柵控表現為光照下溝道電流(Ids)相對于柵極電壓(Vg)的非平凡水平移動。傳統(tǒng)的光電探測器表現出由光激發(fā)的載流子在水平（光柵控）和垂直（光電導）方向上的轉移曲線移動,。水平移動方向(ΔVg)表示隧穿輸運中的電子柵控（積累）,，其方式與電柵控（例如頂柵控和雙柵控）等效。感應的電子密度可以通過平行板電容器模型估算,，圖2A中的ΔVg對應于7.3×1011 cm-2的載流子密度,。柵極電壓閾值偏移主要取決于h-BN層的固定電荷密度，在該研究中無法對其進行調制,。MoTe2和h-BN的厚度幾乎不會改變柵極電壓閾值偏移,。使用巨斯塔克效應的軌道柵控無需復雜的柵極電介質或偏置，可以模擬傳統(tǒng)的電柵控,。巨斯塔克效應的軌道柵控機制與傳統(tǒng)的光柵控機制完全不同,。在具有光柵控功能的傳統(tǒng)光電器件中，由于光激發(fā)的電子或空穴被困在局部陷阱態(tài),，因此通過向溝道施加柵極電場會產生很長的特征時間（最多幾分鐘）來打開和關閉溝道,。在圖1所示的新型柵控中，通過軌道相關的電荷積累對垂直屏蔽的改變是光電晶體管開關的關鍵操作,，可以由小于1 ms的時間常數控制,。
圖2B和C中顯示的光電流飽和結果證明了器件中光電導的獨特抑制。飽和效應可以通過MoTe2中 “nullified”的內建電勢來解釋,，類似于傳統(tǒng)半導體的SPV研究,。當光以大于傳統(tǒng)半導體帶隙的能量照射時，在表面附近彎曲的能帶變平,，勢能差異被衡量為SPV,。在沒有電位梯度的情況下,，光激發(fā)的電子和空穴不再對電流做出貢獻，電位梯度由Thomas-Fermi屏蔽通過vdW間隙進行調制,。巨斯塔克效應驅動的柵控最顯著的優(yōu)勢是改善的上升/下降時間和高響應率,。圖2E顯示了軌道柵控器件的獨特開關動力學，可以在20 μW cm-2的輻照度下保持高光響應率（3357 AW-1,，對應于6×105 %的外量子效率）（圖2D）,。雖然器件在黑暗和光照條件下的電流表現出隧穿輸運（圖2B），但均勻的h-BN層在漏-源電壓Vds上形成對稱的Ids,。上升和下降過程的時間常數分別為0.75和0.5 ms,。與其他2D材料基FET和具有傳統(tǒng)光柵控機制的光電探測器相比，這種隧穿光電晶體管展現了出色的響應率和快速響應（圖2F）,。
圖3. 表面光電壓表征,。（A）用于研究接觸電位差(VCPD)的KPFM基測量裝置的示意圖。（B）拉曼強度成像,。（C）形貌圖像,。（D&E）在黑暗條件和λ="635" nm光照下的接觸電位差(VCPD)成像。（F）SPV成像,，由VCPD在黑暗條件下和光照條件下的差異定義,。
新的柵控機制，即巨斯塔克效應驅動的柵控,，可以從光輔助的KPFM研究中得到支持，如圖3A所示,。為了定量研究屏蔽效應,，在不同厚度MoTe2上覆蓋了h-BN，從而形成了MoTe2/h-BN的異質結,，其拉曼強度和AFM圖像如圖3B和C所示,。隨著MoTe2層數的變化，拉曼強度顯示出明顯的差異,。接觸電位差(VCPD),，定義為針尖和頂部h-BN之間的真空能級差，在圖3C-E中的黑暗和光照條件下與AFM形貌同時成像,。然后通過從圖3E中減去圖3D在圖3F中獲得SPV,。MoTe2不同厚度區(qū)域的非零SPV表現出相似的值（-50 mV）。相似的SPV值由固定在h-BN層中的正電荷量決定,，可以通過能帶偏移來解釋,，使除頂層之外的MoTe2層的能帶變平，以屏蔽h-BN層中的固定電荷并控制隧穿電流（即MoTe2中的電荷重新分布）,。
圖4. SPV特性的解釋和相應的能帶圖,。（A）在黑暗條件下與MoTe2厚度相關的VCPD和SPV值,。（B）在黑暗條件下和光照下，三種不同厚度（由h-BN層覆蓋）MoTe2的時間分辨VCPD測量,。（C&D）在黑暗條件和光照下,，被h-BN層覆蓋的4層和12層MoTe2的能帶示意圖。
12層區(qū)域在黑暗條件下的VCPD呈現出更亮的顏色,，表明與其他層區(qū)域相比,，真空能級差更小。注意到MoTe2的厚度小于Thomas-Fermi屏蔽長度或材料的耗盡寬度,，這會產生厚度相關的VCPD或功函數,，圖4A和B總結了在黑暗和光照條件下不同厚度異質結的VCPD和SPV。黑暗和光照條件產生了可逆且可靠的KPFM信號,，表明異質結中沒有發(fā)生相變或不可逆變化,。SPV揭示了光照條件下異質結的能帶對齊，如圖4C和D所示,。電子在黑暗條件下由K能帶邊緣電子形成的電位梯度移動到頂面,，通過光照電荷重新分布使下層的能帶變平。圖4D中的能帶圖與圖1D和E中的機制和圖2C中的飽和光電流一致,。光照條件下接觸電位差的幅度大于其在黑暗條件下的值,。
文獻信息：Orbital Gating Driven by Giant Stark Effect in Tunneling Phototransistors ( Adv. Mater. , 34(6) 2022, 2106625.)
文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106625
分享到：