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碲化镓-二维层状材料光电晶体管获新进展

二维层状材料是近些年兴起的一类新兴材料,通常其层内以较强的共价键或者离子键结合而成,而层间则是依靠较弱的范德华力堆叠在一起。尤其是2004年单原子层石墨烯的发现极大地推动了二维材料的发展,使其迅速成为研究前沿。然而众所周知,本征石墨烯由于受到六重对称性保护几乎没有能隙,限制了其在半导体器件中的应用。与石墨烯相比,二维层状半导体材料与生俱来的天然带隙结构使它们在微电子及光电子领域具有极大的应用潜力。此外,与传统的Si及III-V族半导体材料相比,二维TMDC层状半导体材料具有三个重要特征:(1)具有超薄的厚度,甚至达到原子级,这非常利于器件的栅极调制,并且有助于器件在纵向方向的高密度集成;(2)表面非常光滑、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;(3)天然的二维结构使其与柔性基底具有很好的兼容性,有望成为理想的柔性器件材料。上述这些特性使二维层状半导体材料成为当前研究热点,其中硫族二维半导体材料尤其突出。对很多硫族半导体而言,阳离子空位在它们的电学性质中扮演重要的角色,然而这些空位具体如何影响器件性能,物理机制如何理解尚未有系统的研究。
近期,巨纳集团长期客户国家纳米科学中心何军课题组系统地研究了碲化镓(GaTe)中阳离子空位对晶体管性能的影响机制,并且通过抑制这种作用,获得了一种高性能的光电晶体管器件。GaTe是一个重要的III-VI族半导体层状化合物材料,直接带隙约1.7eV,在光电子器件、辐射探测器及太阳能电池领域极具应用研究价值。然而由于其复杂的单斜晶体结构及晶体的高度各向异性,使其在样品制备及器件加工方面存在一定的困难,目前少有关于GaTe纳米片的光电性能研究。研究人员通过变温电输运性质测量实验并结合第一性原理计算,首次发现GaTe中的Ga离子空位是导致其在室温环境下高关态电流、较低开关比及较大的栅极响应回滞等现象的关键因素。通过降低器件温度至液氮温度~77K,各项性能均比室温环境下得到大幅提升:FET关态电流降低了约4个数量级;开关比增强了约400倍;栅极响应回滞也从45.0降到1.9V。在此基础上,获得了高性能的光电晶体管,光增益超过2000,响应度大于800AW-1,响应时间小于0.3s。该项研究成果不仅仅对从科学上理解室温环境下本征GaTe FET性能衰减的物理本质,同时对从技术上找到排除影响未来GaTe材料进一步实用化的障碍都具有重要意义。
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