碲化鎵-二維層狀材料光電晶體管獲新進展

二維層狀材料是近些年興起的一類新興材料，通常其層內以較強的共價鍵或者離子鍵結合而成，而層間則是依靠較弱的范德華力堆疊在一起。尤其是2004年單原子層石墨烯的發現極大地推動了二維材料的發展，使其迅速成為研究前沿。然而眾所周知，本征石墨烯由于受到六重對稱性保護幾乎沒有能隙，限制了其在半導體器件中的應用。與石墨烯相比，二維層狀半導體材料與生俱來的天然帶隙結構使它們在微電子及光電子領域具有極大的應用潛力。此外，與傳統的Si及III-V族半導體材料相比，二維TMDC層狀半導體材料具有三個重要特征：(1)具有超薄的厚度，甚至達到原子級，這非常利于器件的柵極調制，并且有助于器件在縱向方向的高密度集成；(2)表面非常光滑、沒有化學懸鍵，這個特征使載流子免于表面粗糙度及陷阱態的影響，從而能夠獲得較高的載流子遷移率；(3)天然的二維結構使其與柔性基底具有很好的兼容性，有望成為理想的柔性器件材料。上述這些特性使二維層狀半導體材料成為當前研究熱點，其中硫族二維半導體材料尤其突出。對很多硫族半導體而言，陽離子空位在它們的電學性質中扮演重要的角色，然而這些空位具體如何影響器件性能，物理機制如何理解尚未有系統的研究。
近期，巨納集團長期客戶國家納米科學中心何軍課題組系統地研究了碲化鎵（GaTe）中陽離子空位對晶體管性能的影響機制，并且通過抑制這種作用，獲得了一種高性能的光電晶體管器件。GaTe是一個重要的III-VI族半導體層狀化合物材料，直接帶隙約1.7eV，在光電子器件、輻射探測器及太陽能電池領域極具應用研究價值。然而由于其復雜的單斜晶體結構及晶體的高度各向異性，使其在樣品制備及器件加工方面存在一定的困難，目前少有關于GaTe納米片的光電性能研究。研究人員通過變溫電輸運性質測量實驗并結合第一性原理計算，首次發現GaTe中的Ga離子空位是導致其在室溫環境下高關態電流、較低開關比及較大的柵極響應回滯等現象的關鍵因素。通過降低器件溫度至液氮溫度~77K，各項性能均比室溫環境下得到大幅提升：FET關態電流降低了約4個數量級；開關比增強了約400倍；柵極響應回滯也從45.0降到1.9V。在此基礎上，獲得了高性能的光電晶體管，光增益超過2000，響應度大于800AW^-1，響應時間小于0.3s。該項研究成果不僅僅對從科學上理解室溫環境下本征GaTe FET性能衰減的物理本質，同時對從技術上找到排除影響未來GaTe材料進一步實用化的障礙都具有重要意義。
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