铁电局域场增强低维材料光电探测器的研究与发展趋势
在光电探测领域，传统的半导体薄膜探测器（例如si、hgcdte、ingaas和insb等）一直占据着光电探测市场的主导地位。随着时代的发展，下一代光电探测器正朝着宽波段、高灵敏探测、超小尺寸、大面阵成像及多光谱探测等方向发展。新型低维材料（零维量子点、一维纳米线和二维层状材料等）先天性特殊的结构和优异的物理性质被认为是下一代电子和光电子器件的潜力材料，例如：近几年二硒化钨（wse2）、黑磷（bp）、硒氧化铋（bi2o2se）、一维纳米线锑化镓（gasb）、砷化镓（gaas）等低维材料均在光电器件研制中展现了出众的探测性能。
基于铁电材料中较高的极化电场和低维材料纳米尺度的优势使得低维材料与铁电材料优势互补，为实现新型光电子器件提供了机遇。据目前文献报道，铁电材料不仅可以作为栅介质层产生局域极化电场调控沟道材料的载流子浓度，抑制暗电流显著提高光电晶体管性能，而且可以基于自身的热释电效应制备性能优异的红外热探测器。
据麦姆斯咨询报道，近期，由南通大学和中国科学院上海技术物理研究所的研究人员组成的团队在《红外与激光工程》期刊上发表了题为“铁电局域场增强低维材料光电探测器研究进展”的综述文章，第一作者为余晨辉教授，主要从事半导体器件及系统应用等教学和研究工作。
该文总结了近年来铁电局域场增强低维材料光电探测器的研究成果，介绍了铁电材料对一维纳米线、二维材料以及低维结型器件的调控和性能提升方面的相关研究。最后，对铁电局域场增强低维材料光电探测器的发展趋势进行了简要的总结和展望。
铁电局域场增强纳米线光电探测器
2016年，hu等人率先提出利用铁电聚合物p(vdf-trfe)薄膜作为介质层，采用侧栅结构制备磷化铟（inp）和硫化镉（cds）单根纳米线晶体管。该器件能够通过侧栅电极极化铁电材料产生超强局域电场有效耗尽纳米线本征载流子降低暗电流，显著提高探测器的信噪比。inp纳米线侧栅结构器件如图1（a）所示，该器件根据铁电材料的极化情况分为三种工作状态：无极化状态、负向极化状态、正向极化状态。图1（b）为负向极化状态下的工作原理图，器件的暗电流在负向极化状态下被有效抑制，inp纳米线光电器件在830nm的入射光照射下获得了高达4.2×10⁵的光电导增益，响应率为2.8×10⁵aw⁻¹，探测率为9.1×10¹⁵jones，比传统商用si器件的探测率高出两个数量级以上。
受限于材料本身的带隙，以上铁电材料调控单根inp、cds纳米线的光电器件探测波长分别为可见-近红外（500~1200nm）和紫外-可见（350~700nm）。砷化铟（inas）纳米线作为一种典型的直接带隙ⅲ-ⅴ族半导体材料，具有超高的载流子迁移率和窄禁带宽度（~0.35ev），已被广泛应用于红外光电探测研究领域。2019年，zhang等人制备了铁电聚合物p(vdftrfe)薄膜作为顶栅介质层、inas纳米线为沟道材料的晶体管光电器件，如图1（c）所示。图1（d）所示为器件在波长为3.5μm激光照射下的输出特性曲线，光生电流占主导，使得器件在红外波段有明显响应，而且光电流随光功率的增加而显著增加。因此inas纳米线能够在铁电局域场的调控下实现截止波长边缘（~3.5μm）处的高灵敏探测，在3.5μm光照射下获得高达1.6×10⁴aw⁻¹的响应率，1.4×10¹²jones的探测率，5.7×10³的增益。
图1 铁电局域场增强纳米线光电探测器。（a）铁电材料调控单根inp纳米线侧栅器件结构示意图；（b）器件在负向极化状态的工作原理图；（c）铁电材料调控单根inas纳米线顶栅器件结构示意图；（d）器件在不同功率密度的3.5μm激光照射下的输出特性曲线
铁电局域场增强二维半导体材料光电探测器
2015年，中国科学院上海技术物理研究所wang等人利用p(vdf-trfe)调控mos2光电器件，图2（a）为其器件结构图，9nm的金属铝薄膜作为半透明顶栅，三层mos2纳米片作为沟道导电材料。当极化方向向上时，该光电器件可获得极低暗电流，使光开关比达到三个量级，响应率最高为2570aw⁻¹，探测率为2.2×10¹²jones，截止波长从850nm拓展到1550nm，如图2（b）所示。
2020年，tu等人通过图2（c）所示结构，利用氧化铪基铁电薄膜材料调控mos2纳米片得到负电容光电场效应晶体管，该器件基于氧化铪基铁电薄膜的负电容效应能够实现极低的亚阈值摆幅。该器件随入射光功率变化下的转移特性曲线如图2（d）所示，转移特性随光功率的增大发生左移，阈值电压变化量增加。
图2 铁电局域场增强mos2光电探测器。（a）铁电材料调控mos2顶栅器件结构示意图；（b）不同光波长下的响应率；（c）铁电材料调控mos2负电容场效应晶体管结构及测试电路示意图；（d）不同入射光功率下的转移特性曲线
多样化的二维材料具有丰富的物理性质，研究人员们也同样利用铁电局域场来提升其他二维材料的光电性能。硒化铟（inse）是一种典型的ⅲ-ⅵ族二维半导体材料，因其载流子迁移率高，带隙适中且可调，展现出极大的光电探测潜力。2020年，qin等人将p(vdf-trfe)作为顶栅介质层，h-bn作为衬底改善界面，制备了inse光电晶体管，如图3（a）所示。通过调控铁电材料的极化状态向上，使得inse沟道材料在顶栅铁电介质层产生的超强局域场作用下，载流子保持在完全耗尽的状态，暗电流成功地被抑制至~10⁻¹⁴a，开关比高达八个量级以上，光响应率为14250aw⁻¹，探测率为1.63×10¹³jones。
另一种特殊的半导体材料锑化铟（insb）在ⅲ-ⅴ族化合物中是电子有效质量最小、电子迁移率最高、带隙最小的材料，因此insb能够在低功耗和高速电子学、红外探测中展现出巨大的应用潜能。但传统的insb红外探测器受暗电流大的限制，通常需要在低温下工作。当insb尺寸减小至纳米结构时，声子散射被抑制，暗电流减小，工作温度也可提高。但样品表面的缺陷依然极大地影响了insb的光电性能，为了改进并提高其光电探测灵敏度，需要外加栅压调控器件的工作状态。zhang等人研究了铁电材料调控的二维insb红外光电探测器，如图3（b）所示，利用铁电薄膜p(vdftrfe)钝化纳米片表面，而铁电材料的极化电场也提供了所需的栅压。使得该器件展现了宽光谱（637nm~4.3μm）探测的能力，暗电流低至4na，响应速度从秒提高至毫秒。
图3 铁电局域场增强二维材料光电探测器。（a）铁电材料调控inse光电晶体管结构示意图；（b）铁电材料调控insb光电晶体管结构示意图
铁电材料自身的热释电特性也被用来提升二维材料的光电特性。2017年，u. sassi等人将石墨烯转移到铌酸锂（linbo3）上，然后通过沉积浮动栅的工艺得到基于石墨烯的中波红外探测器，如图4（a）所示。在红外信号的辐照下，linbo3温度的变化产生热释电荷使得图4（b）中电容c3电荷量发生改变，在电容器c2上产生顶栅电压，这种器件结构中浮栅的放大设计使电阻温度系数高达900%/k，增益高达200，温度分辨率为15μk，在室温下实现了12μm中红外探测器。
2020年，wang等人利用铁电材料p(vdf-trfe)的热释电特性和二维半导体材料mos2的光电导特性，基于铁电局域场调控的二维半导体场效应晶体管结构，开发了具有超宽光谱（375nm~10μm）响应的光电探测器。器件结构如图4（c）所示，为了对器件进行热隔离处理，铁电材料作为栅介质层的mos2 器件制备在超薄的聚酰亚胺衬底上。
而zheng等人同样在pmn-pt（001）铁电单晶衬底上外延生长高质量的二维bi2o2se薄膜，实现了2d铁电场效应晶体管，如图4（d）所示。该器件在可见光和红外光共同照射下表现出偏振相关的光响应。
图4 铁电材料热释电效应调控二维材料光电探测器。（a）石墨烯热释电辐射热计示意图；（b）石墨烯热释电辐射热计工作原理图；（c）p(vdftrfe)/mos2场效应晶体管结构；（d）bi2o2se/pmn-pt铁电场效应晶体管结构示意图
这些研究成果进一步表明铁电局域场增强促进了基于二维材料制备的红外宽光谱探测器件的研制。
铁电局域场调控低维结型探测器
chen等人将单层二硒化钨（wse2）转移到bifeo3衬底上，利用压电力显微镜（pfm）将铁电衬底左右两块区域分别极化且极化方向相反，如图5（a）所示。wu等人制备了铁电材料p(vdf-trfe)作为栅介质层的mote2晶体管，如图5（c）所示，利用原子力显微镜上带电的针尖对p(vdftrfe)产生极化作用形成局域电场，进一步掺杂与之接触的mote2纳米片。通过调控不同区域铁电材料的极化方向可以对mote2进行p型掺杂或者n型掺杂来得到面内pn结，光电流mapping测试证实了峰值电流存在结区处，如图5（d）所示。随后，该研究团队进一步采用裂栅电极结构制备mote2晶体管。通过裂栅电极所加电压不同极化p(vdf-trfe)得到高性能面内pn结器件，整流比高达5×10⁵。在探测光信号时展现了优异性能，光电转化效率为2.5%，探测波长可拓展至短波红外（1350nm）。
图5 铁电局域场增强二维材料同质结器件。（a）bifeo3调控的wse2面内pn 结示意图；（b）器件的输出特性；（c）p(vdf-trfe)调控的mote2面内pn 结示意图；（d）器件的光电流mapping图
2021年，chen等人在gese/mos2异质结晶体管结构中引入铁电局域场，器件结构如图6（a）所示。其中gese为各向异性材料，具有电学各向异性和光学线性二向色性，能够实现偏振探测。将p(vdf-trfe)旋涂在gese/mos2异质结上作为顶栅介质层，gese/mos2的能带结构在铁电极化场作用下，异质结的能带结构从ⅱ类转化为ⅰ类。由于铁电偶极子的能带工程，该器件在近红外区域也很敏感。此外，gese的各向异性使得器件在可见至近红外波段范围内能够实现高灵敏的偏振探测，在铁电局域场的辅助下，器件的偏振探测比也大大提高了，该成果为能带工程构建多功能器件提供了新思路。
图6 铁电局域场增强二维范德华异质结器件。（a）铁电调控异质结gese/mos2器件结构示意图；（b）~（d）铁电材料处于不同极化状态时异质结的能带结构示意图
结论
文中简要介绍了铁电局域场增强低维材料光电探测器的一些最新研究成果。这些光电器件主要依赖于铁电材料极化形成的局域强电场作用调控低维材料中的载流子浓度，从而显著提高其光电探测性能。传统的背栅静电场调控器件需要不间断施加电压，具有易失性，导致工作条件复杂，功耗大。铁电材料的剩余极化可以重复反转，因此铁电局域场的引入不仅能够极大地提高和拓展低维材料的光电特性和功能性，而且满足了低功耗的需求，为获得新一代高性能光电探测器奠定基础。然而，目前铁电局域场增强低维材料光电探测器的研究大多数集中在带隙较宽的材料，探测波长在可见至近红外区间，对探测中远红外波段的材料性能提升有待提高。主要原因是窄带隙材料本征载流子浓度过高，很难有效提取光生载流子。因此，考虑结合铁电局域场与其他结构共同作用降低中长波探测材料的暗电流，有效提取光生电流是一种重要的途径。此外，将大面积生长的二维材料与铁电薄膜结合实现大面积图形化加工制备阵列式光电子器件同样具有很大的发展潜力。
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基于铁电材料中较高的极化电场和低维材料纳米尺度的优势使得低维材料与铁电材料优势互补，为实现新型光电子器件提供了机遇。据目前文献报道，铁电材料不仅可以作为栅介质层产生局域极化电场调控沟道材料的载流子浓度，抑制暗电流显著提高光电晶体管性能，而且可以基于自身的热释电效应制备性能优异的红外热探测器。
据麦姆斯咨询报道，近期，由南通大学和中国科学院上海技术物理研究所的研究人员组成的团队在《红外与激光工程》期刊上发表了题为“铁电局域场增强低维材料光电探测器研究进展”的综述文章，第一作者为余晨辉教授，主要从事半导体器件及系统应用等教学和研究工作。
该文总结了近年来铁电局域场增强低维材料光电探测器的研究成果，介绍了铁电材料对一维纳米线、二维材料以及低维结型器件的调控和性能提升方面的相关研究。最后，对铁电局域场增强低维材料光电探测器的发展趋势进行了简要的总结和展望。
铁电局域场增强纳米线光电探测器
2016年，hu等人率先提出利用铁电聚合物p(vdf-trfe)薄膜作为介质层，采用侧栅结构制备磷化铟（inp）和硫化镉（cds）单根纳米线晶体管。该器件能够通过侧栅电极极化铁电材料产生超强局域电场有效耗尽纳米线本征载流子降低暗电流，显著提高探测器的信噪比。inp纳米线侧栅结构器件如图1（a）所示，该器件根据铁电材料的极化情况分为三种工作状态：无极化状态、负向极化状态、正向极化状态。图1（b）为负向极化状态下的工作原理图，器件的暗电流在负向极化状态下被有效抑制，inp纳米线光电器件在830nm的入射光照射下获得了高达4.2×10⁵的光电导增益，响应率为2.8×10⁵aw⁻¹，探测率为9.1×10¹⁵jones，比传统商用si器件的探测率高出两个数量级以上。
受限于材料本身的带隙，以上铁电材料调控单根inp、cds纳米线的光电器件探测波长分别为可见-近红外（500~1200nm）和紫外-可见（350~700nm）。砷化铟（inas）纳米线作为一种典型的直接带隙ⅲ-ⅴ族半导体材料，具有超高的载流子迁移率和窄禁带宽度（~0.35ev），已被广泛应用于红外光电探测研究领域。2019年，zhang等人制备了铁电聚合物p(vdftrfe)薄膜作为顶栅介质层、inas纳米线为沟道材料的晶体管光电器件，如图1（c）所示。图1（d）所示为器件在波长为3.5μm激光照射下的输出特性曲线，光生电流占主导，使得器件在红外波段有明显响应，而且光电流随光功率的增加而显著增加。因此inas纳米线能够在铁电局域场的调控下实现截止波长边缘（~3.5μm）处的高灵敏探测，在3.5μm光照射下获得高达1.6×10⁴aw⁻¹的响应率，1.4×10¹²jones的探测率，5.7×10³的增益。
图1 铁电局域场增强纳米线光电探测器。（a）铁电材料调控单根inp纳米线侧栅器件结构示意图；（b）器件在负向极化状态的工作原理图；（c）铁电材料调控单根inas纳米线顶栅器件结构示意图；（d）器件在不同功率密度的3.5μm激光照射下的输出特性曲线
铁电局域场增强二维半导体材料光电探测器
2015年，中国科学院上海技术物理研究所wang等人利用p(vdf-trfe)调控mos2光电器件，图2（a）为其器件结构图，9nm的金属铝薄膜作为半透明顶栅，三层mos2纳米片作为沟道导电材料。当极化方向向上时，该光电器件可获得极低暗电流，使光开关比达到三个量级，响应率最高为2570aw⁻¹，探测率为2.2×10¹²jones，截止波长从850nm拓展到1550nm，如图2（b）所示。
2020年，tu等人通过图2（c）所示结构，利用氧化铪基铁电薄膜材料调控mos2纳米片得到负电容光电场效应晶体管，该器件基于氧化铪基铁电薄膜的负电容效应能够实现极低的亚阈值摆幅。该器件随入射光功率变化下的转移特性曲线如图2（d）所示，转移特性随光功率的增大发生左移，阈值电压变化量增加。
图2 铁电局域场增强mos2光电探测器。（a）铁电材料调控mos2顶栅器件结构示意图；（b）不同光波长下的响应率；（c）铁电材料调控mos2负电容场效应晶体管结构及测试电路示意图；（d）不同入射光功率下的转移特性曲线
多样化的二维材料具有丰富的物理性质，研究人员们也同样利用铁电局域场来提升其他二维材料的光电性能。硒化铟（inse）是一种典型的ⅲ-ⅵ族二维半导体材料，因其载流子迁移率高，带隙适中且可调，展现出极大的光电探测潜力。2020年，qin等人将p(vdf-trfe)作为顶栅介质层，h-bn作为衬底改善界面，制备了inse光电晶体管，如图3（a）所示。通过调控铁电材料的极化状态向上，使得inse沟道材料在顶栅铁电介质层产生的超强局域场作用下，载流子保持在完全耗尽的状态，暗电流成功地被抑制至~10⁻¹⁴a，开关比高达八个量级以上，光响应率为14250aw⁻¹，探测率为1.63×10¹³jones。
另一种特殊的半导体材料锑化铟（insb）在ⅲ-ⅴ族化合物中是电子有效质量最小、电子迁移率最高、带隙最小的材料，因此insb能够在低功耗和高速电子学、红外探测中展现出巨大的应用潜能。但传统的insb红外探测器受暗电流大的限制，通常需要在低温下工作。当insb尺寸减小至纳米结构时，声子散射被抑制，暗电流减小，工作温度也可提高。但样品表面的缺陷依然极大地影响了insb的光电性能，为了改进并提高其光电探测灵敏度，需要外加栅压调控器件的工作状态。zhang等人研究了铁电材料调控的二维insb红外光电探测器，如图3（b）所示，利用铁电薄膜p(vdftrfe)钝化纳米片表面，而铁电材料的极化电场也提供了所需的栅压。使得该器件展现了宽光谱（637nm~4.3μm）探测的能力，暗电流低至4na，响应速度从秒提高至毫秒。
图3 铁电局域场增强二维材料光电探测器。（a）铁电材料调控inse光电晶体管结构示意图；（b）铁电材料调控insb光电晶体管结构示意图
铁电材料自身的热释电特性也被用来提升二维材料的光电特性。2017年，u. sassi等人将石墨烯转移到铌酸锂（linbo3）上，然后通过沉积浮动栅的工艺得到基于石墨烯的中波红外探测器，如图4（a）所示。在红外信号的辐照下，linbo3温度的变化产生热释电荷使得图4（b）中电容c3电荷量发生改变，在电容器c2上产生顶栅电压，这种器件结构中浮栅的放大设计使电阻温度系数高达900%/k，增益高达200，温度分辨率为15μk，在室温下实现了12μm中红外探测器。
2020年，wang等人利用铁电材料p(vdf-trfe)的热释电特性和二维半导体材料mos2的光电导特性，基于铁电局域场调控的二维半导体场效应晶体管结构，开发了具有超宽光谱（375nm~10μm）响应的光电探测器。器件结构如图4（c）所示，为了对器件进行热隔离处理，铁电材料作为栅介质层的mos2 器件制备在超薄的聚酰亚胺衬底上。
而zheng等人同样在pmn-pt（001）铁电单晶衬底上外延生长高质量的二维bi2o2se薄膜，实现了2d铁电场效应晶体管，如图4（d）所示。该器件在可见光和红外光共同照射下表现出偏振相关的光响应。
图4 铁电材料热释电效应调控二维材料光电探测器。（a）石墨烯热释电辐射热计示意图；（b）石墨烯热释电辐射热计工作原理图；（c）p(vdftrfe)/mos2场效应晶体管结构；（d）bi2o2se/pmn-pt铁电场效应晶体管结构示意图
这些研究成果进一步表明铁电局域场增强促进了基于二维材料制备的红外宽光谱探测器件的研制。
铁电局域场调控低维结型探测器
chen等人将单层二硒化钨（wse2）转移到bifeo3衬底上，利用压电力显微镜（pfm）将铁电衬底左右两块区域分别极化且极化方向相反，如图5（a）所示。wu等人制备了铁电材料p(vdf-trfe)作为栅介质层的mote2晶体管，如图5（c）所示，利用原子力显微镜上带电的针尖对p(vdftrfe)产生极化作用形成局域电场，进一步掺杂与之接触的mote2纳米片。通过调控不同区域铁电材料的极化方向可以对mote2进行p型掺杂或者n型掺杂来得到面内pn结，光电流mapping测试证实了峰值电流存在结区处，如图5（d）所示。随后，该研究团队进一步采用裂栅电极结构制备mote2晶体管。通过裂栅电极所加电压不同极化p(vdf-trfe)得到高性能面内pn结器件，整流比高达5×10⁵。在探测光信号时展现了优异性能，光电转化效率为2.5%，探测波长可拓展至短波红外（1350nm）。
图5 铁电局域场增强二维材料同质结器件。（a）bifeo3调控的wse2面内pn 结示意图；（b）器件的输出特性；（c）p(vdf-trfe)调控的mote2面内pn 结示意图；（d）器件的光电流mapping图
2021年，chen等人在gese/mos2异质结晶体管结构中引入铁电局域场，器件结构如图6（a）所示。其中gese为各向异性材料，具有电学各向异性和光学线性二向色性，能够实现偏振探测。将p(vdf-trfe)旋涂在gese/mos2异质结上作为顶栅介质层，gese/mos2的能带结构在铁电极化场作用下，异质结的能带结构从ⅱ类转化为ⅰ类。由于铁电偶极子的能带工程，该器件在近红外区域也很敏感。此外，gese的各向异性使得器件在可见至近红外波段范围内能够实现高灵敏的偏振探测，在铁电局域场的辅助下，器件的偏振探测比也大大提高了，该成果为能带工程构建多功能器件提供了新思路。
图6 铁电局域场增强二维范德华异质结器件。（a）铁电调控异质结gese/mos2器件结构示意图；（b）~（d）铁电材料处于不同极化状态时异质结的能带结构示意图
结论
文中简要介绍了铁电局域场增强低维材料光电探测器的一些最新研究成果。这些光电器件主要依赖于铁电材料极化形成的局域强电场作用调控低维材料中的载流子浓度，从而显著提高其光电探测性能。传统的背栅静电场调控器件需要不间断施加电压，具有易失性，导致工作条件复杂，功耗大。铁电材料的剩余极化可以重复反转，因此铁电局域场的引入不仅能够极大地提高和拓展低维材料的光电特性和功能性，而且满足了低功耗的需求，为获得新一代高性能光电探测器奠定基础。然而，目前铁电局域场增强低维材料光电探测器的研究大多数集中在带隙较宽的材料，探测波长在可见至近红外区间，对探测中远红外波段的材料性能提升有待提高。主要原因是窄带隙材料本征载流子浓度过高，很难有效提取光生载流子。因此，考虑结合铁电局域场与其他结构共同作用降低中长波探测材料的暗电流，有效提取光生电流是一种重要的途径。此外，将大面积生长的二维材料与铁电薄膜结合实现大面积图形化加工制备阵列式光电子器件同样具有很大的发展潜力。
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