溶液法制备晶圆级带隙可调MoS2/PbS光电晶体管及其界面调控机制

《Advanced Science》：Wafer-Scale Bandgap-Tunable MoS2/PbS Phototransistors Enabled by Solution Processing

本文报道了一种通过等离子体增强溶液法制备4英寸晶圆级MoS2/PbS异质结光电晶体管的新策略。研究发现横向异质结通过Type-II能带排列主导带隙调控（0.61-1.24 eV），结合氧等离子体处理将表面接触角从85.5°优化至45-60°，实现97%良率的晶圆级均匀制备。器件最高响应度达88 A/W，比探测率4.77×1012Jones，开关比3.16×107，为可调谐光电子器件提供新范式。

　　

1 引言

光电晶体管在光信号转换中具有关键作用，二硫化钼(MoS₂)作为代表性过渡金属硫族化合物(TMDC)具有直接带隙(1.8 eV)和高载流子迁移率(200 cm²V^-1s^-1)，但其探测范围受限於可见光波段。通过构建MoS₂/硫化铅(PbS)异质结可扩展探测光谱，但传统化学气相沉积(CVD)制备的垂直结构存在能带工程受限、界面电场弱等问题。横向异质结虽能形成Type-II能带排列，但受限于外延生长的尺寸限制和固定带隙。溶液法通过电化学插层制备材料墨水可实现新型异质结构，但界面能失配导致薄膜开裂问题亟待解决。

2 结果与讨论

2.1 MoS₂/PbS异质结的可调带隙

通过第一性原理计算对比垂直、横向和混合异质结的能带结构，发现横向结通过面内键合使理论带隙降至~0 eV，混合结构为0.21 eV，远低於垂直结的0.9 eV。变形电荷密度分析表明横向界面电子密度(0.08 e/bohr³)和相互作用强度比垂直界面高一个数量级。紫外光电子能谱(UPS)测得MoS₂和PbS量子点的功函数分别为3.86 eV和3.04 eV，证实Type-II交错能带排列。通过调控墨水浓度、旋涂速度和层数(l=1-10)可实现带隙从1.24 eV至0.61 eV的连续调控，实验数据与基于巨正则系综的带隙模型(E_g=E_h-E_s/(1+e^σl+χ))高度吻合(R²=0.99)。

2.2 晶圆级异质结的溶液法制备

X射线衍射(XRD)显示旋涂MoS₂具有(002)、(004)等晶面定向排列，高分辨透射电镜(HRTEM)证实MoS₂纳米片间为无悬挂键的范德华接触，PbS量子点呈3纳米六方组装。通过氧等离子体处理(50 W, 15 s)将MoS₂薄膜接触角从85.5°降至45-60°，有效抑制裂纹产生。在4英寸SiO₂/Si晶圆上制备1000个晶体管阵列，统计显示平均开关比3.16×10⁷(σ=0.92)，阈值电压0.42 V(±1.62 V)，响应度27.14 A/W(±22.15 A/W)，良率达97%。

2.3 光电晶体管特性

采用底栅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)结构，HfO₂介电层(7 nm)和Cr/Au电极。在635纳米激光照射下，器件最高响应度达88 A/W(3.1 μW)，比探测率4.77×10¹²Jones，上升/下降时间分别为14.61 ms和132.21 ms。近红外探测显示980纳米光电流高於850纳米，与PbS吸收谱一致。AlO_x封装器件在长期稳定性测试中性能保持良好。通过二维扫描成像实验成功获取"THU"图案(最小线宽1 mm)，验证其在近红外波段的成像能力。

3 结论

本研究通过等离子体增强溶液法实现了晶圆级MoS₂/PbS异质结的可控制备，横向结主导的能带调控机制和97%的良率为下一代可调谐光电子器件提供了可行路径。

4 实验方法

PbS量子点采用Schlenk技术合成，MoS₂纳米片通过电化学插层剥离制备。晶体管工艺涉及MA8光刻机、原子层沉积(ALD)生长HfO_x/AlO_x、磁控溅射金属化等标准互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容流程。表征手段包括透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)光谱等。