Nano Res.[半导体]│胡辉勇、刘玉芳等纳米半导体研究进展

一、西电胡辉勇教授课题组：复合面外WSe₂/WS异质结的低电压高增益WSe₂雪崩光电晶体管

背景介绍

过渡金属二卤化物（TMD）WSe₂具有极佳的电子和光学性质，因此成为实现高性能雪崩光电探测器的理想材料。然而由于探测器结构限制，传统探测器器件需要工作在较大的偏压下才能实现雪崩倍增效应，这限制了雪崩探测器的应用场景。本文提出通过面外WSe₂/WS₂异质结改善WSe₂沟道内电场分布，降低雪崩工作电压，实现低电压工作的雪崩光电探测。由于这一器件的低压工作特性，复合面外垂直WSe₂/WS₂异质结的WSe₂雪崩探测器在低功耗和高信噪比的光电探测方面具有巨大的潜力。

成果简介

雪崩效应可以显著提高基于二维材料的光电探测器的性能。然而，传统器件结构需要高的电压实现雪崩效应，这导致了器件的高功耗。突破雪崩工作电压与低功耗的相互制约是实现高性能雪崩探测器的关键点。

西安电子科技大学微电子学院胡辉勇课题组一直致力于高性能雪崩光电探测器研究，尤其是低压雪崩探测方案的设计。基于二维材料的优异特性，课题组提出了一种复合面外WSe₂/WS₂异质结的WSe₂低压雪崩光电晶体管结构设计方案。具体而言是利用WSe₂/WS₂异质结改善沟道内高压下电场分布，使电场在更小区域内集中从而实现低压雪崩倍增。与WSe₂场效应管相比，复合面外WSe₂/WS₂异质结的WSe₂场效应管的雪崩击穿电压可以从−31降低到−8.5V。当偏置电压从−1V增加到−16.5V时，该器件的光响应率从1.5提高到135A/W，倍增因子可达90以上。此外，由于WSe₂/WS₂异质结中加速电子-空穴空间分离引起的，在低偏置电压下，这种新型器件在400-1100 nm范围内显示出比WSe₂场效应管更高的响应度。这些结果表明，复合面外WSe₂/WS₂异质结的WSe₂场效应晶体管是低功耗、高性能光电探测器的理想选择。

图文导读

图1.复合面外WSe₂/WS₂异质结的WSe₂场效应晶体管的（a）结构示意图与（b）光学图像。

图2.两种探测器的（a）剖面示意图，（b）等效电路图和（c）I-V特性。在图中，WSe₂FET表示WSe₂场效应晶体管，HJ FET表示复合面外WSe₂/WS₂异质结的WSe₂场效应晶体管。

图3.探测器光电性能测试：（a）响应度和（b）比探测率随波长的变化关系。532nm光照下的（c）光电流、（d）响应度和（e）增益因子随偏压的变化关系。532nm光照下响应时间测试，（f）为WSe₂场效应晶体管，（g）为复合面外WSe₂/WS₂异质结的WSe₂场效应晶体管。（h）WSe₂场效应晶体管实现光探测的原理图。

作者简介

胡辉勇，教授，博士生导师，西安电子科技大学微电子学院。2007年欧洲微电子中心（IMEC）高级访问学者，国家科技部重点研发计划项目负责人。研究方向为硅基单片光电集成、高速半导体集成电路等方面。先后承担国家、国防重点项目二十余项，包括973、国家重点研发计划等。近年来系统地解决与发展了应变集成电路技术和硅基光电单片集成技术相关的基础理论、应变材料制备、应变器件结构及制造工艺、器件及电路仿真等关键科学问题，获省部科技进步二等奖二项，发表学术论文80余篇，以第一发明人获授权国家发明专利 40余项。

王利明，副教授，硕士生导师，西安电子科技大学微电子学院，博士毕业于复旦大学物理系。研究方向包括半导体器件设计及实现，光电功能单片集成，感存算一体化芯片等。先后承担、参与科技部重点研发计划、十三五预研、国家自然基金重点项目、陕西省自然基金、校企合作等多项科研项目；相关研究成果先后以第一作者及通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Adv. Opt. Mater.、Appl. Phys. Lett.、IEEE Trans. Elect. Dev.等高水平SCI期刊发表论文20余篇，总IF影响因子超过150；申请及授权国家发明专利近20项；曾获陕西省科协青年人才托举计划。

L. Meng, N. Zhang, M. Yang, et al. Low-voltage and high-gain WSe₂ avalanche phototransistor with an out-of-plane WSe₂/WS₂ heterojunction. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4954-6.

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二、河南师范大学刘玉芳教授课题组∶二维苯乙基胺溴化铅钙钛矿的相干声子动力学调控

背景介绍

有机-无机杂化层状钙钛矿性能优异，被广泛用于发光二极管、半导体激光器、太阳能电池和光电探测器。尽管这种材料引起了极大的关注，但其基本特性仍远未得到充分了解。例如，很难获得这些材料中电子晶格相互作用的精确性质。为了设计高性能钙钛矿器件，清楚地了解电子-声子耦合机制是至关重要的。随着飞秒激光器和时间分辨泵浦探测实验技术的发展，有机-无机杂化层状钙钛矿中相干声子的脉冲生成和检测已成为可能。但是这些声子如何调节有机-无机杂化钙钛矿的光学特性仍然不清楚，对晶格耦合机制的理解也模糊不清。此外，溶剂工程对杂化钙钛矿的结晶有显着影响，然而，它对声子耦合特性的影响尚未阐明。

成果简介

河南师范大学刘玉芳教授课题组报导了二维(PEA)₂PbBr₄钙钛矿薄膜中的电子-光学声子耦合。为了探究二维钙钛矿中的电子-声子耦合机制，进行了温度依赖性、泵浦波长依赖性和泵浦通量依赖性超快泵浦探测瞬态吸收光谱测量。实验结果显示材料中存在不同的光学声子振动模式，相应的相干声子动力学可以通过泵浦参数进行调整。此外，我们深入研究了三种溶剂的相干声子动力学，并观察到了声子振动模式和寿命的差异。与由DMSO（三种光学声子振动模式）制成的薄膜相比，由DMF获得的薄膜仅识别出两种振动模式。DMF制备薄膜的M3'模式比DMSO制备薄膜的M3模式红移了4.5 cm^-1。这意味着溶剂工程在确定与光生激子耦合的声子动力学方面起着至关重要的作用。该工作有助于更深入地了解二维钙钛矿材料的声子动力学。

作者简介

刘玉芳，二级教授，博士生导师，国务院特殊津贴获得者，中原学者，河南师范大学副校长，光学工程一级博士点带头人，河南省红外材料光谱测量与应用重点实验室主任。长期致力于红外物理与技术方面的研究，先后主持国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金科学仪器基础专款项目、NFSC河南联合基金重点项目、国家自然科学基金面上项目以及河南省杰出人才、杰出青年课题15余项。获河南省科技进步二等奖1项、三等奖1项、河南省自然科学三等奖1项，发表论文120余篇。团队长期从事红外物理技术、半导体光物理性质等方面的基础研究与应用基础研究。

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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