基于PtSe2/WSe2结型场效应晶体管高增益红外探测器的制备和机理研究

How to achieve high gain and fast response for the infrared signal at room temperature has become the core problem in the field of infrared photodetection. This project proposes a concept of PtSe2/WSe2 junction field-effect transistor. In this architecture, the gain and response time are separately determined by the modulation of gate voltage and the switching speed of the transistor. This design overcomes the gain-response time trade-off which is the common problem in high-gain photodetectors. Finally, the detectors possess the high gain and fast response at the same time. In this project, the optimization of device structure will be investigated through numerical simulation. By using scanning photocurrent microscopy, we expect to understand the mechanism of photoresponse, carrier transfer and recombination systematically, and how they affect the gain and response speed. The purpose of this study is to provide theoretical and experimental support for the development and application of high-performance infrared detectors in the lightweight aerospace system.

室温条件下如何实现对红外信号高增益、快速的响应是红外光电探测领域的核心难题。本项目以二维材料PtSe2和WSe2为基础，提出一种结型场效应晶体管的复合结构。该结构中增益与响应时间分别由结型场效应晶体管的栅压调制能力和开关速度决定，克服了高增益器件通常面临的增益-响应时间相互制约的问题，从而使器件兼具高增益、快速的响应特性。项目采用数值模拟计算的方法对PtSe2/WSe2结型场效应晶体管进行仿真优化；采用微区扫描光电流谱测试技术，从空间分辨对器件的光电转换机理进行系统地研究，揭示载流子在复合结构中的转移传输特性和复合机制，以及其与器件光增益和响应速度的内在关系。本项目的研究为轻量化的航天系统中高性能红外探测器的研发与应用提供理论与实验支持。

传统光电探测材料量子效率小于1的理论极限限制了其探测灵敏度的进一步提升。因此，如何实现高增益、快速的光响应已成为光电探测领域的核心难点问题。随着低维纳米材料等新材料体系的构建，为实现新型的高增益探测器提供了新的思路和有效的途径，但现有的增益机制存在着增益-响应时间的相互制约。. 为此，本项目提出一种基于低维材料结型场效应晶体管光电器件，该结构中增益是通过外部施加的顶栅电压获得，因此无需感光材料对载流子的俘获，也无需感光材料具有强光吸收特性；响应时间依赖于结型场效应晶体管的顶栅开关速度，这与感光材料中载流子产生复合速度正相关。本机制将增益与载流子寿命去相关，因此不存在增益-响应时间相互制约的问题。. 项目主要开展了籽晶辅助化学气相传输生长高质量大尺寸TMDs单晶，有效提升单晶的生长速度；设计并制备低维材料结型场效应晶体管器件，增益~10^4，响应时间~10 us；分析材料表面/界面态对器件光电性能的影响。相关成果为高增益光电器件的研究提供了一种全新的思路，同时对发展新型低维光电探测器件、光电逻辑器件具有一定的指导意义。