在光電探測(cè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體薄膜探測(cè)器（例如Si、HgCdTe、InGaAs和InSb等）一直占據(jù)著光電探測(cè)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。隨著時(shí)代的發(fā)展，下一代光電探測(cè)器正朝著寬波段、高靈敏探測(cè)、超小尺寸、大面陣成像及多光譜探測(cè)等方向發(fā)展。新型低維材料（零維量子點(diǎn)、一維納米線和二維層狀材料等）先天性特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性質(zhì)被認(rèn)為是下一代電子和光電子器件的潛力材料，例如：近幾年二硒化鎢（WSe2）、黑磷（BP）、硒氧化鉍（Bi2O2Se）、一維納米線銻化鎵（GaSb）、砷化鎵（GaAs）等低維材料均在光電器件研制中展現(xiàn)了出眾的探測(cè)性能。

基于鐵電材料中較高的極化電場(chǎng)和低維材料納米尺度的優(yōu)勢(shì)使得低維材料與鐵電材料優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，為實(shí)現(xiàn)新型光電子器件提供了機(jī)遇。據(jù)目前文獻(xiàn)報(bào)道，鐵電材料不僅可以作為柵介質(zhì)層產(chǎn)生局域極化電場(chǎng)調(diào)控溝道材料的載流子濃度，抑制暗電流顯著提高光電晶體管性能，而且可以基于自身的熱釋電效應(yīng)制備性能優(yōu)異的紅外熱探測(cè)器。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，由南通大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了題為“鐵電局域場(chǎng)增強(qiáng)低維材料光電探測(cè)器研究進(jìn)展”的綜述文章，第一作者為余晨輝教授，主要從事半導(dǎo)體器件及系統(tǒng)應(yīng)用等教學(xué)和研究工作。

該文總結(jié)了近年來(lái)鐵電局域場(chǎng)增強(qiáng)低維材料光電探測(cè)器的研究成果，介紹了鐵電材料對(duì)一維納米線、二維材料以及低維結(jié)型器件的調(diào)控和性能提升方面的相關(guān)研究。最后，對(duì)鐵電局域場(chǎng)增強(qiáng)低維材料光電探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的總結(jié)和展望。

鐵電局域場(chǎng)增強(qiáng)納米線光電探測(cè)器

2016年，Hu等人率先提出利用鐵電聚合物P(VDF-TrFE)薄膜作為介質(zhì)層，采用側(cè)柵結(jié)構(gòu)制備磷化銦（InP）和硫化鎘（CdS）單根納米線晶體管。該器件能夠通過(guò)側(cè)柵電極極化鐵電材料產(chǎn)生超強(qiáng)局域電場(chǎng)有效耗盡納米線本征載流子降低暗電流，顯著提高探測(cè)器的信噪比。InP納米線側(cè)柵結(jié)構(gòu)器件如圖1（a）所示，該器件根據(jù)鐵電材料的極化情況分為三種工作狀態(tài)：無(wú)極化狀態(tài)、負(fù)向極化狀態(tài)、正向極化狀態(tài)。圖1（b）為負(fù)向極化狀態(tài)下的工作原理圖，器件的暗電流在負(fù)向極化狀態(tài)下被有效抑制，InP納米線光電器件在830nm的入射光照射下獲得了高達(dá)4.2×10?的光電導(dǎo)增益，響應(yīng)率為2.8×10?AW?1，探測(cè)率為9.1×101?Jones，比傳統(tǒng)商用Si器件的探測(cè)率高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

受限于材料本身的帶隙，以上鐵電材料調(diào)控單根InP、CdS納米線的光電器件探測(cè)波長(zhǎng)分別為可見-近紅外（500~1200nm）和紫外-可見（350~700nm）。砷化銦（InAs）納米線作為一種典型的直接帶隙Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料，具有超高的載流子遷移率和窄禁帶寬度（~0.35eV），已被廣泛應(yīng)用于紅外光電探測(cè)研究領(lǐng)域。2019年，Zhang等人制備了鐵電聚合物P(VDFTrFE)薄膜作為頂柵介質(zhì)層、InAs納米線為溝道材料的晶體管光電器件，如圖1（c）所示。圖1（d）所示為器件在波長(zhǎng)為3.5μm激光照射下的輸出特性曲線，光生電流占主導(dǎo)，使得器件在紅外波段有明顯響應(yīng)，而且光電流隨光功率的增加而顯著增加。因此InAs納米線能夠在鐵電局域場(chǎng)的調(diào)控下實(shí)現(xiàn)截止波長(zhǎng)邊緣（~3.5μm）處的高靈敏探測(cè)，在3.5μm光照射下獲得高達(dá)1.6×10?AW?1的響應(yīng)率，1.4×1012Jones的探測(cè)率，5.7×103的增益。

圖1 鐵電局域場(chǎng)增強(qiáng)納米線光電探測(cè)器。（a）鐵電材料調(diào)控單根InP納米線側(cè)柵器件結(jié)構(gòu)示意圖；（b）器件在負(fù)向極化狀態(tài)的工作原理圖；（c）鐵電材料調(diào)控單根InAs納米線頂柵器件結(jié)構(gòu)示意圖；（d）器件在不同功率密度的3.5μm激光照射下的輸出特性曲線

鐵電局域場(chǎng)增強(qiáng)二維半導(dǎo)體材料光電探測(cè)器

2015年，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所Wang等人利用P(VDF-TrFE)調(diào)控MoS2光電器件，圖2（a）為其器件結(jié)構(gòu)圖，9nm的金屬鋁薄膜作為半透明頂柵，三層MoS2納米片作為溝道導(dǎo)電材料。當(dāng)極化方向向上時(shí)，該光電器件可獲得極低暗電流，使光開關(guān)比達(dá)到三個(gè)量級(jí)，響應(yīng)率最高為2570AW?1，探測(cè)率為2.2×1012Jones，截止波長(zhǎng)從850nm拓展到1550nm，如圖2（b）所示。

2020年，Tu等人通過(guò)圖2（c）所示結(jié)構(gòu)，利用氧化鉿基鐵電薄膜材料調(diào)控MoS2納米片得到負(fù)電容光電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該器件基于氧化鉿基鐵電薄膜的負(fù)電容效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)極低的亞閾值擺幅。該器件隨入射光功率變化下的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖2（d）所示，轉(zhuǎn)移特性隨光功率的增大發(fā)生左移，閾值電壓變化量增加。

圖2 鐵電局域場(chǎng)增強(qiáng)MoS2光電探測(cè)器。（a）鐵電材料調(diào)控MoS2頂柵器件結(jié)構(gòu)示意圖；（b）不同光波長(zhǎng)下的響應(yīng)率；（c）鐵電材料調(diào)控MoS2負(fù)電容場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)及測(cè)試電路示意圖；（d）不同入射光功率下的轉(zhuǎn)移特性曲線

多樣化的二維材料具有豐富的物理性質(zhì)，研究人員們也同樣利用鐵電局域場(chǎng)來(lái)提升其他二維材料的光電性能。硒化銦（InSe）是一種典型的Ⅲ-Ⅵ族二維半導(dǎo)體材料，因其載流子遷移率高，帶隙適中且可調(diào)，展現(xiàn)出極大的光電探測(cè)潛力。2020年，Qin等人將P(VDF-TrFE)作為頂柵介質(zhì)層，h-BN作為襯底改善界面，制備了InSe光電晶體管，如圖3（a）所示。通過(guò)調(diào)控鐵電材料的極化狀態(tài)向上，使得InSe溝道材料在頂柵鐵電介質(zhì)層產(chǎn)生的超強(qiáng)局域場(chǎng)作用下，載流子保持在完全耗盡的狀態(tài)，暗電流成功地被抑制至~10?1?A，開關(guān)比高達(dá)八個(gè)量級(jí)以上，光響應(yīng)率為14250AW?1，探測(cè)率為1.63×1013Jones。

另一種特殊的半導(dǎo)體材料銻化銦（InSb）在Ⅲ-Ⅴ族化合物中是電子有效質(zhì)量最小、電子遷移率最高、帶隙最小的材料，因此InSb能夠在低功耗和高速電子學(xué)、紅外探測(cè)中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能。但傳統(tǒng)的InSb紅外探測(cè)器受暗電流大的限制，通常需要在低溫下工作。當(dāng)InSb尺寸減小至納米結(jié)構(gòu)時(shí)，聲子散射被抑制，暗電流減小，工作溫度也可提高。但樣品表面的缺陷依然極大地影響了InSb的光電性能，為了改進(jìn)并提高其光電探測(cè)靈敏度，需要外加?xùn)艍赫{(diào)控器件的工作狀態(tài)。Zhang等人研究了鐵電材料調(diào)控的二維InSb紅外光電探測(cè)器，如圖3（b）所示，利用鐵電薄膜P(VDFTrFE)鈍化納米片表面，而鐵電材料的極化電場(chǎng)也提供了所需的柵壓。使得該器件展現(xiàn)了寬光譜（637nm~4.3μm）探測(cè)的能力，暗電流低至4nA，響應(yīng)速度從秒提高至毫秒。

圖3 鐵電局域場(chǎng)增強(qiáng)二維材料光電探測(cè)器。（a）鐵電材料調(diào)控InSe光電晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；（b）鐵電材料調(diào)控InSb光電晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

鐵電材料自身的熱釋電特性也被用來(lái)提升二維材料的光電特性。2017年，U. Sassi等人將石墨烯轉(zhuǎn)移到鈮酸鋰（LiNbO3）上，然后通過(guò)沉積浮動(dòng)?xùn)诺墓に嚨玫交谑┑闹胁t外探測(cè)器，如圖4（a）所示。在紅外信號(hào)的輻照下，LiNbO3溫度的變化產(chǎn)生熱釋電荷使得圖4（b）中電容C3電荷量發(fā)生改變，在電容器C2上產(chǎn)生頂柵電壓，這種器件結(jié)構(gòu)中浮柵的放大設(shè)計(jì)使電阻溫度系數(shù)高達(dá)900%/K，增益高達(dá)200，溫度分辨率為15μK，在室溫下實(shí)現(xiàn)了12μm中紅外探測(cè)器。

2020年，Wang等人利用鐵電材料P(VDF-TrFE)的熱釋電特性和二維半導(dǎo)體材料MoS2的光電導(dǎo)特性，基于鐵電局域場(chǎng)調(diào)控的二維半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，開發(fā)了具有超寬光譜（375nm~10μm）響應(yīng)的光電探測(cè)器。器件結(jié)構(gòu)如圖4（c）所示，為了對(duì)器件進(jìn)行熱隔離處理，鐵電材料作為柵介質(zhì)層的MoS2 器件制備在超薄的聚酰亞胺襯底上。

而Zheng等人同樣在PMN-PT（001）鐵電單晶襯底上外延生長(zhǎng)高質(zhì)量的二維Bi2O2Se薄膜，實(shí)現(xiàn)了2D鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，如圖4（d）所示。該器件在可見光和紅外光共同照射下表現(xiàn)出偏振相關(guān)的光響應(yīng)。

圖4 鐵電材料熱釋電效應(yīng)調(diào)控二維材料光電探測(cè)器。（a）石墨烯熱釋電輻射熱計(jì)示意圖；（b）石墨烯熱釋電輻射熱計(jì)工作原理圖；（c）P(VDFTrFE)/MoS2場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)；（d）Bi2O2Se/PMN-PT鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

這些研究成果進(jìn)一步表明鐵電局域場(chǎng)增強(qiáng)促進(jìn)了基于二維材料制備的紅外寬光譜探測(cè)器件的研制。

鐵電局域場(chǎng)調(diào)控低維結(jié)型探測(cè)器

Chen等人將單層二硒化鎢（WSe2）轉(zhuǎn)移到BiFeO3襯底上，利用壓電力顯微鏡（PFM）將鐵電襯底左右兩塊區(qū)域分別極化且極化方向相反，如圖5（a）所示。Wu等人制備了鐵電材料P(VDF-TrFE)作為柵介質(zhì)層的MoTe2晶體管，如圖5（c）所示，利用原子力顯微鏡上帶電的針尖對(duì)P(VDFTrFE)產(chǎn)生極化作用形成局域電場(chǎng)，進(jìn)一步摻雜與之接觸的MoTe2納米片。通過(guò)調(diào)控不同區(qū)域鐵電材料的極化方向可以對(duì)MoTe2進(jìn)行P型摻雜或者N型摻雜來(lái)得到面內(nèi)PN結(jié)，光電流mapping測(cè)試證實(shí)了峰值電流存在結(jié)區(qū)處，如圖5（d）所示。隨后，該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用裂柵電極結(jié)構(gòu)制備MoTe2晶體管。通過(guò)裂柵電極所加電壓不同極化P(VDF-TrFE)得到高性能面內(nèi)PN結(jié)器件，整流比高達(dá)5×10?。在探測(cè)光信號(hào)時(shí)展現(xiàn)了優(yōu)異性能，光電轉(zhuǎn)化效率為2.5%，探測(cè)波長(zhǎng)可拓展至短波紅外（1350nm）。

圖5 鐵電局域場(chǎng)增強(qiáng)二維材料同質(zhì)結(jié)器件。（a）BiFeO3調(diào)控的WSe2面內(nèi)pn 結(jié)示意圖；（b）器件的輸出特性；（c）P(VDF-TrFE)調(diào)控的MoTe2面內(nèi)pn 結(jié)示意圖；（d）器件的光電流mapping圖

2021年，Chen等人在GeSe/MoS2異質(zhì)結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)中引入鐵電局域場(chǎng)，器件結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示。其中GeSe為各向異性材料，具有電學(xué)各向異性和光學(xué)線性二向色性，能夠?qū)崿F(xiàn)偏振探測(cè)。將P(VDF-TrFE)旋涂在GeSe/MoS2異質(zhì)結(jié)上作為頂柵介質(zhì)層，GeSe/MoS2的能帶結(jié)構(gòu)在鐵電極化場(chǎng)作用下，異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)從Ⅱ類轉(zhuǎn)化為Ⅰ類。由于鐵電偶極子的能帶工程，該器件在近紅外區(qū)域也很敏感。此外，GeSe的各向異性使得器件在可見至近紅外波段范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏的偏振探測(cè)，在鐵電局域場(chǎng)的輔助下，器件的偏振探測(cè)比也大大提高了，該成果為能帶工程構(gòu)建多功能器件提供了新思路。

圖6 鐵電局域場(chǎng)增強(qiáng)二維范德華異質(zhì)結(jié)器件。（a）鐵電調(diào)控異質(zhì)結(jié)GeSe/MoS2器件結(jié)構(gòu)示意圖；（b）~（d）鐵電材料處于不同極化狀態(tài)時(shí)異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)論

文中簡(jiǎn)要介紹了鐵電局域場(chǎng)增強(qiáng)低維材料光電探測(cè)器的一些最新研究成果。這些光電器件主要依賴于鐵電材料極化形成的局域強(qiáng)電場(chǎng)作用調(diào)控低維材料中的載流子濃度，從而顯著提高其光電探測(cè)性能。傳統(tǒng)的背柵靜電場(chǎng)調(diào)控器件需要不間斷施加電壓，具有易失性，導(dǎo)致工作條件復(fù)雜，功耗大。鐵電材料的剩余極化可以重復(fù)反轉(zhuǎn)，因此鐵電局域場(chǎng)的引入不僅能夠極大地提高和拓展低維材料的光電特性和功能性，而且滿足了低功耗的需求，為獲得新一代高性能光電探測(cè)器奠定基礎(chǔ)。然而，目前鐵電局域場(chǎng)增強(qiáng)低維材料光電探測(cè)器的研究大多數(shù)集中在帶隙較寬的材料，探測(cè)波長(zhǎng)在可見至近紅外區(qū)間，對(duì)探測(cè)中遠(yuǎn)紅外波段的材料性能提升有待提高。主要原因是窄帶隙材料本征載流子濃度過(guò)高，很難有效提取光生載流子。因此，考慮結(jié)合鐵電局域場(chǎng)與其他結(jié)構(gòu)共同作用降低中長(zhǎng)波探測(cè)材料的暗電流，有效提取光生電流是一種重要的途徑。此外，將大面積生長(zhǎng)的二維材料與鐵電薄膜結(jié)合實(shí)現(xiàn)大面積圖形化加工制備陣列式光電子器件同樣具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

審核編輯：郭婷