鑽石舞台

背景介紹

過渡金屬二鹵化物（TMD）WSe2具有極佳的電子和光學性質，因此成為實現高性能雪崩光電探測器的理想材料。然而由於探測器結構限制，傳統探測器器件需要工作在較大的偏壓下才能實現雪崩倍增效應，這限制了雪崩探測器的應用場景。本文提出通過面外WSe2/WS2異質結改善WSe2溝道內電場分布，降低雪崩工作電壓，實現低電壓工作的雪崩光電探測。由於這一器件的低壓工作特性，複合面外垂直WSe2/WS2異質結的WSe2雪崩探測器在低功耗和高信噪比的光電探測方面具有巨大的潛力。

成果簡介

雪崩效應可以顯著提高基於二維材料的光電探測器的性能。然而，傳統器件結構需要高的電壓實現雪崩效應，這導致了器件的高功耗。突破雪崩工作電壓與低功耗的相互制約是實現高性能雪崩探測器的關鍵點。

西安電子科技大學微電子學院胡輝勇課題組一直致力於高性能雪崩光電探測器研究，尤其是低壓雪崩探測方案的設計。基於二維材料的優異特性，課題組提出了一種複合面外WSe2/WS2異質結的WSe2低壓雪崩光電晶體管結構設計方案。具體而言是利用WSe2/WS2異質結改善溝道內高壓下電場分布，使電場在更小區域內集中從而實現低壓雪崩倍增。與WSe2場效應管相比，複合面外WSe2/WS2異質結的WSe2場效應管的雪崩擊穿電壓可以從−31降低到−8.5V。當偏置電壓從−1V增加到−16.5V時，該器件的光響應率從1.5提高到135A/W，倍增因子可達90以上。此外，由於WSe2/WS2異質結中加速電子-空穴空間分離引起的，在低偏置電壓下，這種新型器件在400-1100 nm範圍內顯示出比WSe2場效應管更高的響應度。這些結果表明，複合面外WSe2/WS2異質結的WSe2場效應晶體管是低功耗、高性能光電探測器的理想選擇。

圖文導讀

圖1.複合面外WSe2/WS2異質結的WSe2場效應晶體管的（a）結構示意圖與（b）光學圖像。

圖2.兩種探測器的（a）剖面示意圖，（b）等效電路圖和（c）I-V特性。在圖中，WSe2FET表示WSe2場效應晶體管，HJ FET表示複合面外WSe2/WS2異質結的WSe2場效應晶體管。

圖3.探測器光電性能測試：（a）響應度和（b）比探測率隨波長的變化關係。532nm光照下的（c）光電流、（d）響應度和（e）增益因子隨偏壓的變化關係。532nm光照下響應時間測試，（f）為WSe2場效應晶體管，（g）為複合面外WSe2/WS2異質結的WSe2場效應晶體管。（h）WSe2場效應晶體管實現光探測的原理圖。

作者簡介

胡輝勇，教授，博士生導師，西安電子科技大學微電子學院。2007年歐洲微電子中心（IMEC）高級訪問學者，國家科技部重點研發計劃項目負責人。研究方向為硅基單片光電集成、高速半導體集成電路等方面。先後承擔國家、國防重點項目二十餘項，包括973、國家重點研發計劃等。近年來系統地解決與發展了應變集成電路技術和硅基光電單片集成技術相關的基礎理論、應變材料製備、應變器件結構及製造工藝、器件及電路仿真等關鍵科學問題，獲省部科技進步二等獎二項，發表學術論文80餘篇，以第一發明人獲授權國家發明專利 40餘項。

王利明，副教授，碩士生導師，西安電子科技大學微電子學院，博士畢業於復旦大學物理系。研究方向包括半導體器件設計及實現，光電功能單片集成，感存算一體化芯片等。先後承擔、參與科技部重點研發計劃、十三五預研、國家自然基金重點項目、陝西省自然基金、校企合作等多項科研項目；相關研究成果先後以第一作者及通訊作者在Adv. Funct. Mater.、Adv. Opt. Mater.、Appl. Phys. Lett.、IEEE Trans. Elect. Dev.等高水平SCI期刊發表論文20餘篇，總IF影響因子超過150；申請及授權國家發明專利近20項；曾獲陝西省科協青年人才托舉計劃。

L. Meng, N. Zhang, M. Yang, et al. Low-voltage and high-gain WSe2avalanche phototransistor with an out-of-plane WSe2/WS2heterojunction. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4954-6.

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背景介紹

有機-無機雜化層狀鈣鈦礦性能優異，被廣泛用於發光二極管、半導體激光器、太陽能電池和光電探測器。儘管這種材料引起了極大的關注，但其基本特性仍遠未得到充分了解。例如，很難獲得這些材料中電子晶格相互作用的精確性質。為了設計高性能鈣鈦礦器件，清楚地了解電子-聲子耦合機制是至關重要的。隨着飛秒激光器和時間分辨泵浦探測實驗技術的發展，有機-無機雜化層狀鈣鈦礦中相干聲子的脈衝生成和檢測已成為可能。但是這些聲子如何調節有機-無機雜化鈣鈦礦的光學特性仍然不清楚，對晶格耦合機制的理解也模糊不清。此外，溶劑工程對雜化鈣鈦礦的結晶有顯着影響，然而，它對聲子耦合特性的影響尚未闡明。

成果簡介

河南師範大學劉玉芳教授課題組報導了二維(PEA)2PbBr4鈣鈦礦薄膜中的電子-光學聲子耦合。為了探究二維鈣鈦礦中的電子-聲子耦合機制，進行了溫度依賴性、泵浦波長依賴性和泵浦通量依賴性超快泵浦探測瞬態吸收光譜測量。實驗結果顯示材料中存在不同的光學聲子振動模式，相應的相干聲子動力學可以通過泵浦參數進行調整。此外，我們深入研究了三種溶劑的相干聲子動力學，並觀察到了聲子振動模式和壽命的差異。與由DMSO（三種光學聲子振動模式）製成的薄膜相比，由DMF獲得的薄膜僅識別出兩種振動模式。DMF製備薄膜的M3'模式比DMSO製備薄膜的M3模式紅移了4.5 cm-1。這意味着溶劑工程在確定與光生激子耦合的聲子動力學方面起着至關重要的作用。該工作有助於更深入地了解二維鈣鈦礦材料的聲子動力學。

作者簡介

劉玉芳，二級教授，博士生導師，國務院特殊津貼獲得者，中原學者，河南師範大學副校長，光學工程一級博士點帶頭人，河南省紅外材料光譜測量與應用重點實驗室主任。長期致力於紅外物理與技術方面的研究，先後主持國家重大科研儀器研製項目、國家自然科學基金科學儀器基礎專款項目、NFSC河南聯合基金重點項目、國家自然科學基金面上項目以及河南省傑出人才、傑出青年課題15餘項。獲河南省科技進步二等獎1項、三等獎1項、河南省自然科學三等獎1項，發表論文120餘篇。團隊長期從事紅外物理技術、半導體光物理性質等方面的基礎研究與應用基礎研究。

M. Cui, C. Qin, Z. Zhou, et al. Tuning coherent phonon dynamics in two-dimensional phenylethylammonium lead bromide perovskites. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4911-4.

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