我室在MoS2-WS2异质结光电性质研究中取得最新成果

最近，中科院半导体所超晶格国家重点实验室博士生霍能杰、康俊，在李京波研究员、魏忠鸣研究员、李树深院士的研究团队中，与美国再生能源国家实验室 (NREL)魏苏淮博士研究组合作，在二维半导体MoS2-WS2异质结的光电性质实验研究中取得最新进展。首次发现，人工合成新型二维半导体异质结会表现出优良的器件功能和大幅度提高的其光电性能。相关成果发表在2014年9月5日德国Wiley主办的《Advanced Functional Materials》(DOI: 10.1002/adfm.201401504)上，论文链接：http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201401504

    作为目前电子和光电子器件包括发光二极管、激光器、太阳能电池等的重要核心元件之一，半导体异质结往往拥有比单一半导体材料更加优越的性能，因此获得了广泛而重要的研究。随着石墨烯和过渡金属硫族化物(TMDs)等二维半导体材料的兴起，新型二维半导体异质结正在成为国际前端纳米科学、材料科学以及新型半导体器件研究中的焦点。这类异质结是由不同二维半导体材料通过范德瓦尔斯力垂直堆积而成。在这种组合形成的异质结中，不仅整个系统的光电性能大大的提高，而且也出现了新奇的物理现象和器件功能。近年来，基于石墨烯和TMDs的半导体异质结弥补了石墨烯零带隙带来的应用限制，实现了具有极大电流调控的新一代垂直场效应晶体管。紧接着，以二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)为代表的新型二维半导体异质结迅速成为材料科学领域的研究热点，并且在理论和实验上同时发现MoS2-WS2异质结具有II型的带阶排列，有效的电子空穴对分离和超快的电荷转移。因此，基于TMDs的二维半导体异质结正在成为研究新奇物理现象和纳米功能器件的重要平台并有望成为新一代电子和光电子器件的材料基础。

    在这种背景下，半导体所李京波小组研发出了基于二维MoS2-WS2异质结的场效应晶体管，对垂直和水平两种结构下的场效应和光电性质做了全面系统的研究。由于II型带阶的特性以及内建电势的形成，垂直器件表现出明显的整流特性(正向-反向电流比为103)。有趣的是，新奇的双极行为(正源漏电压下为n型而负压下为p型)也出现在异质结器件中，这是由于加在底部Si上的栅压调控的能带倾斜所致。进一步研究发现，垂直异质结晶体管还具有优良的光生伏特性能(最大开路电压为0.25 V)和自驱动光探测性能(光开关比超过了103)，有望应用于未来的太阳能电池、光开关和光探测等领域。在水平异质结晶体管中，我们发现了极大的场效应开关比(>105)，较高的电子迁移率(65 cm 2/Vs)以及高效的光敏度(1.42 A/W)。通过对比，这些显著可观的光电参数远远超过了组成异质结的单一材料(即单独的MoS2和WS2)的光电性质。我们在新型二维MoS2-WS2异质结中所发现的新奇的器件功能(包括整流，双极行为，光生伏打和自驱动光探测)以及大大提高的光电性质将进一步激发人们对基于TMDs二维异质结光电子器件的研究兴趣并探索其在新一代电子器件中的巨大应用潜力。

    该工作得到了国家基础研究项目和国家自然科学基金以及美国能源部的支持。