中科院上海技术物理研究所王建禄研究员、胡伟达研究员与中科院微电子所刘琦研究员等人近日开展合作研究，设计出一种极陡峭亚阈值摆幅的场效应晶体管，并基于该结构实现了极高灵敏光电探测功能，综合利用了铁电负电容效应、铁电极化诱导局域场效应及“photogating”效应，基于铁电局域静电场和铁电负电容效应的共同作用，实现极高探测率的室温光电探测。

       该光电晶体管的工作电压设定为器件在暗态下的阈值电压点，此时栅介质铁电层极化方向向下，铁电局域静电场将MoS2半导体沟道电子耗尽，有效抑制器件暗电流，提高器件信噪比。研究发现在光照下器件转移特性曲线阈值电压点发生左移，如图所示。该现象源于光照多层MoS2吸收光子激发电子-空穴对，其中大量空穴被栅极铁电局域静电场捕获，从而产生强的“photogating”效应。通过综合运用铁电负电容效应实现的极陡峭转移特性（极低亚阈值摆幅）、辅以铁电极化局域强场对半导体沟道背景载流子的抑制效应（极低暗电流），同时借助于铁电局域静电场的作用下捕获大量空穴，产生“photogating”效应（类似光照诱导转移曲线平移），获得了极高的信噪比（>107），从而实现具有高探测率光电探测器件。本研究中提出的负电容光电晶体管及其工作机理，是一种普适的高灵敏光电探测器构建方法，可广泛应用于半导体光电器件中，为研制超新型高灵敏光电探测器提供了新思路。


       该项工作得到了国家自然科学基金委、科技部及中科院的经费支持。