【2023集创赛】加速科技杯作品：高光响应的二硫化铼光电探测器

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团队介绍

参赛单位：西北工业大学
队伍名称：噜啦噜啦咧
指导老师：李伟
参赛队员：程琳，韩笑，尹天乐
奖项：加速科技杯西北赛区二等奖

项目内容

1 研究背景

二维材料因为具有原子级厚度的单层结构、特殊电学性质、对电、光等调控手段的敏感性，在纳米电子器件等方面具有非常广泛的应用前景。随着社会对光电探测器提出了更高的要求：获取高性能、大规格、小尺寸、轻重量、低功耗、低成本的光电探测器。再结合二维材料的良好优点，它再次成为科学家们关注的焦点，为之后的探测器发展提供了更多的可能性。

过渡金属二硫化物（TMDCs）作为二维材料家族中的一员，由于其可调的能带结构、纯异质结界面和宽光谱范围内的光检测，在低功耗集成电路、光电、非易失性存储器器件等领域都具有很大的潜力。

2 原理分析与具体架构

有一种新的 TMDCs 称为二硫化铼（ReS₂），它在空气中非常稳定，具有弱的层间耦合以及独特的畸变 1T 结构。ReS₂ 具有优良的光响应性，所以我们选它作为通道材料。

具有 HfO₂ 栅极电介质的双层 ReS₂ 场效应晶体管（FET）可获得高达～10⁷的高导通/关断电流比、116 mV/dec 的小亚阈值摆幅和 6.02cm²·V⁻¹ ·s⁻¹ 的电子迁移率，它们可应用于 pH 传感。为了增强 ReS₂ FET 的迁移率，我们选择将六方氮化硼（h-BN）插入到顶部/底部双栅极电介质中，抑制 BN/ReS₂ 处异质结界面陷阱，改善了沟道界面，增强电学特性，获得更高的迁移率。

ReS₂ 在空气中的高稳定性、较弱的层间耦合以及独立层带隙使其成为一种新型的二维 TMDCs，在逻辑晶体管、光电探测器、存储器件等方面具有巨大的应用潜力。超高的光响应性是其相对于其他二维 TMDCs 的独特优势。但较低的电子迁移率和电流通/关比以及较高的接触电阻严重影响器件性能。我们使用变温测量方法提取了 ReS₂ 器件的接触电阻和肖特基势垒高度。较高的接触电阻和不对称的输出电流说明了镜面力是导致肖特基势垒高度降低的主要因素。

大多数二维 TMDCs 的带隙在很大程度上取决于厚度。例如，MoS₂ 的带隙随着层的增加而减小，并从直接带隙变为间接带隙。我们通过研究不同厚度的 ReS₂ 的器件迁移率和光相应率的变化，探究厚度对 ReS₂ 性能的影响。

3 实验内容

2.1 研究思路

2.2 设计参数

设计新型二硫化铼场效应管。
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制作两大组共 8 个器件，4 个 ReS₂/BN FET，分别为 RB1、RB2、RB3、RB4；4 个 ReS2 FET，分别为 R1、R2、R3、R4。同组器件差异在于 ReS₂ 厚度不同，用于探究厚度对 ReS₂ 器件的影响。

其中，RB1 和 R1 用于研究插入 BN 和不插入 BN 的 ReS₂ 器件其光响应率和探测灵敏度。R2 主要用于提取了 ReS₂ 器件的接触电阻和肖特基势垒高度，探究肖特基势垒变化原因。

2.3 技术路线

3 测试结果

3.1 电学特性测试

使用 Keysight B2912A 精密型电源在该器件外加电压，在黑暗条件下对两种器件进行测试。

图 4 与图 5 分别是 RB1 与 R1 在黑暗条件下测试所得到的传递曲线，我们可以很清晰地从电流突变对应的电压范围看到 R1 的漏极电流的迟滞效应要比 RB1大得多。我们可以分析得知，引起漏极电流出现迟滞效应的主要原因是界面出现了陷阱与缺陷。对于 R1 而言，当栅极电压从正向电压幅值扫描到反向幅值时，SiO₂ 栅极电介质与 ReS₂ 沟道之间的界面陷阱与缺陷会捕获载流子或者影响载流子扩散速率，致使出现迟滞效应。但是，对于 RB1 而言，超薄 BN 的引入使得界面陷阱与缺陷收到一定程度的抑制，迟滞效应得以减缓，且对通道的控制作用不会收到严重影响，可以说 BN 界面提高了该器件的性能。

观察 RB1 和 R1 在黑暗条件下的输出曲线，发现输出电流随漏极电压近似线性增加，可以借助Y函数计算接触电阻。

3.2 光电特性测试

电流随着光的功率密度的增加而增加，这说明了光生电流主要来源为光栅压效应与光电导效应。

在0.47μW/cm²的最低光功率密度下，RB1的最大光响应达1.24×10⁶，远远超过了其他基于 TMDCs 的类似光电晶体管。

图中上下的栅压分别对应耗尽与累积状态，但无论处于什么状态，均实现了较好的光开关功能。
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光脉冲宽度为150ms RB1 的光响应上升时间和光相应下降时间分别为18和34ms，远小于日常所见的 TMDCs 光电晶体管。

3.3 低温测试

不同温度下 R2 的输送特征。从 300 到 100 K，随着温度的降低，通态电流减小，这也解释了 ReS₂ 作为晶体管的沟道具有更好的半导体特性。

计算了不同栅压下的接触随不同温度的变化。无论栅极电压如何变化，接触电阻都会随着温度的升高而降低。

绘制阿伦尼乌斯图，从图中获取肖特基势垒高度高度。在漏极电压0V两端的漏电流是不完全对称的。小于0V的漏极电流明显更大，因为镜像力的存在，以及源极和漏极接触质量不同。

关断状态(Vg< -20V )下的接触电阻远大于导通状态(Vg> -10V )下的接触电阻,这主要是由关断状态下较高的肖特基势垒引起的。

如图 27 所示，𝜑𝐵0是不考虑任何非理想因素的理想肖特基势垒高度。𝜑𝐵1、𝜑𝐵2和𝜑𝐵3分别是正偏压、零偏压和反向偏压下的肖特基势垒高度。由于镜像力，𝜑𝐵1、𝜑𝐵2和𝜑𝐵3都小于𝜑𝐵0，𝜑𝐵3是最小肖特基势垒高度。此外，漏极电流的不对称还与源极和漏极的接触质量不同有关。从二维 TMDCs 器件的源漏对称结构以及电路应用的角度来看，漏电流在正偏和反偏的情况下应该是完全对称的。

3.4 厚度测试

通过记录对比不同厚度器件的性能，发现，当二硫化铼比较厚时，表面屏障入射光，底部吸收光减弱，响应度也变低。然而，二硫化铼具有与厚度无关的直接带隙促使光吸收增强，进而促使光载流子的产生。所以，与其他过渡金属硫化物光电探测器比起来，较厚的二硫化铼光电探测器也具有较高的光响应度，适用于弱光探测领域。

4 产业价值

高光响应度的二硫化铼器件可以实现高速高效的信号传输，在光通信领域内具有优势，高灵敏度和快速响应使其可以应用于图像识别、制备测量仪器。

当我们将二硫化铼器件和电池结合，可以实现高效的光电能量转换，为太阳能利用和能量存储提供助力。

二硫化铼器件具有宽光谱探测优势，可以制成红外光电探测器，在航空航天等军工领域做出贡献。

参赛感想

我们参加的是加速科技杯这个赛道，选择这个赛道的原因有一大部分是出于我们自身的知识储备的原因。在参赛的时候，我们正在学习半导体相关的几门课程，觉得我们可以在半导体产业链上进行一些创新，于是便锁定在半导体相关材料与器件的主题上。

我们在确定了方向之后，便思考着这么进行这个赛题的完成。由于二维材料近几年的火爆，我们也是迅速将注意力投入到其上面。经过一番调查与文献查询后，石墨烯产业是发展相对而言最完整的，要实现什么目的也较为容易，但这带来的最大的问题，就是难以创新，前人将许许多多的工作都完成了。想要使用这个材料只能想出更加复杂的结构才足够，但这无疑难度上升了许多。那么这个方向的创新点就首先落在了新材料的选择上。经过调研，我们综合考虑了许多材料的性能、研究难度等多方面因素，将最终的材料选择定为了 ReS₂ 。

整个过程中，通过大量的阅读文献，我们不断学习从哪些角度考虑器件的设计，如何增加结构去改善或者弥补现有材料的缺陷以达到我们所预期的效果，体会着课本中的理论照进现实的感受，受益良多。总的来说，半导体课程促使我们选择了这个赛道，这个题目又反向作用于课程的学习。

同时，参加这个比赛，我们也见到了许多同我们一样的参赛队伍，见识到了许多新奇的想法，争取明年参加获得更好的名次。 😎

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还有一些信息，可以从海报里了解，感兴趣的话可以看一下。

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