单层MoS2光控MOSFET作为高性能纳米电子器件的量子传输建模

《Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures》：Modelling of quantum transport in monolayer MoS 2 Photo-MOSFET as high-performance nano-electronic devices

基于非平衡格林函数（NEGF）理论，本研究模拟了单层MoS?光电场效应晶体管在绿光（532 nm）照射下的量子输运特性，揭示了光电流与功率线性关系、高光子流密度下的陷阱饱和效应以及主导光栅效应，瞬态分析显示亚毫秒级开关，光谱响应峰值与直接激子跃迁匹配，为设计高性能光电子器件提供了理论框架。

　　

普雷罗娜·辛哈（Prerona Singha）| P.K. 卡利塔（P.K. Kalita）

印度阿鲁纳恰尔邦多伊穆克（Doimukh）拉吉夫·甘地大学（Rajiv Gandhi University）物理系

摘要

本研究采用非平衡格林函数（Non-Equilibrium Green’s Function, NEGF）理论框架，对在绿光（532纳米）照射下的单层二硫化钼（MoS₂）光控金属氧化物半导体场效应晶体管（Photo-MOSFET）的量子传输行为进行了全面理论分析。该模型使用Python实现，通过纳入光与物质的相互作用及复合效应来描述光激发载流子的动态行为，从而无需经验拟合即可预测器件性能。模拟结果显示：光电流与功率呈线性关系；在高光子通量下，由于陷阱饱和效应导致光电增益降低；同时光控作用显著，且传输过程受陷阱辅助。瞬态分析表明器件切换时间小于100毫秒；光谱响应峰值位于600纳米附近，与直接激子跃迁能量相符。该方法再现了关键实验趋势，并为原子级薄通道中的量子传输、陷阱调制及光激发机制提供了更深入的物理理解。这一框架为基于过渡金属硫属化合物的高性能光电器件（如晶体管、光电探测器及光控神经形态器件）的设计提供了预测工具。

引言

随着对高性能光电器件需求的增加，人们对先进半导体材料（尤其是二维（2D）过渡金属硫属化合物（TMDs）的探索不断加速[1]。这类层状材料具有优异的电学、机械和光学特性，使其成为下一代光晶体管和光电探测器的理想候选材料。传统的硅基光电探测器存在高功耗、光谱灵敏度低以及纳米尺度下光与物质相互作用效率低等局限性[2]。相比之下，原子级薄的2D材料具有强光吸收能力和出色的静电控制性能，从而显著提升光电响应性和器件可调性[3,4]。在各种TMDs中，二硫化钼（MoS₂）因其单层形式下的直接带隙（约1.8电子伏特）、良好的载流子迁移率、机械柔韧性和环境稳定性而脱颖而出[5,6]。与其他TMDs（如二硫化钨WS₂（带隙约2.0电子伏特）和二硒化钨WSe₂（带隙约1.65电子伏特）相比，MoS₂在吸收效率、制备兼容性和器件可靠性方面实现了最佳平衡。WS₂更适用于紫外光检测，而WSe₂则具有更强的自旋轨道相互作用，但其载流子传输和集成方面的局限性限制了其广泛应用。因此，MoS₂成为光电器件设计中极具多功能性和实用性的选择。光晶体管中使用的光照波长对光激发效率、载流子动态及器件寿命至关重要。虽然紫外光能量较高，但常会导致材料降解和缺陷形成；蓝光（约450纳米）可能引发过度激子复合；而红光和近红外光由于光子能量低于带隙而无法直接激发载流子[7,8]。相比之下，绿光（约532纳米）的光子能量（约2.33电子伏特）与MoS₂的带隙相匹配，既能高效产生载流子又不会造成显著热损伤；此外，绿光还能增强光控效应，使光生载流子在陷阱中停留时间更长，从而提高光电导增益和灵敏度[9]。

多项近期研究展示了MoS₂及相关2D异质结构在光电检测领域的巨大潜力。例如，Lopez-Sanchez等人报道了单层MoS₂光晶体管的响应度超过800安培/瓦（A/W）[10]；Seo等人开发的基于MoS₂的雪崩光电晶体管通过载流子倍增效应实现了高达10¹⁶琼斯（Jones）的检测灵敏度[11]；Feng等人开发的MoS₂光晶体管比基于石墨烯的器件具有更快的切换速度和更高的响应度[12]。扫描光电流显微镜（SPCM）技术的应用对于提取纳米结构场效应晶体管（FET）中的载流子扩散长度至关重要[13]。Xiao等人开发的2D模拟模型考虑了非均匀载流子密度和栅极调制，从而准确解释了光电流行为[13]。生长在石墨烯上的钙钛矿量子点（PQDs）也被用于制造具有极高响应度和神经形态功能的超薄光晶体管[14]。基于撞击电离的雪崩光电检测机制可实现极高的增益[15]。Miao和Wang综述了2D雪崩光电探测器的机制和未来前景[15]。Feng等人提出了基于MoS₂-α-MoO_3-x的光晶体管，该器件通过光诱导的势垒降低（PIBL）机制实现了9.8×10¹⁶琼斯的记录检测灵敏度[12]。为提升效率，研究人员还开发了光陷阱结构；Miller等人使用COMSOL建模证明十字形光子结构可将CQD电池的光电流提高超过69%[16]；Wang等人开发的WS₂/MoS₂纳米卷状结构通过多界面电荷分离实现了10倍的灵敏度提升[17]。缺陷控制对于实现快速响应至关重要；Chang等人发现CVD生长的单层MoSe₂缺陷较少，响应时间更快（约25毫秒）[18]；Tang等人制备的多层MoS₂场效应晶体管由于陷阱态减少而具有超快响应时间（低至42微秒）[19]；MOVPE生长的MoS₂可用于大面积柔性光电探测器，具有可调的响应度（150–920安培/瓦）和稳定的弯曲性能，非常适合可穿戴电子设备[20]。Lan等人通过集成等离子体晶体克服了单层MoS₂的低吸收问题，通过局部场增强将光电响应度提升至2.7×10⁴安培/瓦[21]。先进的数值模型已成为光电探测器设计不可或缺的工具；Islam等人提出了结合漂移扩散、泊松方程和电磁传播方程的1D模型，用于评估实际非均匀条件下的MoS₂光晶体管行为，并引入了相位噪声分析作为新的评估指标[22]。此外，许多研究通过栅极调节、光控效应、异质结构集成和新几何形状不断优化光晶体管性能；例如，双栅PdSe₂/MoS₂结场效应晶体管同时实现了高响应度和检测灵敏度，而栅极调控的GeSe/MoTe₂异质结构在紫外到近红外波段内的响应时间为3微秒[23]。

尽管实验进展令人印象深刻，但这类超薄器件中光激发传输的理论建模仍不完善。大多数现有研究采用经典漂移扩散模型，无法捕捉纳米尺度系统中的量子效应。为弥补这一不足，本研究采用非平衡格林函数（NEGF）理论框架模拟了在绿光照射下单层MoS₂光控金属氧化物半导体场效应晶体管中的量子传输行为。该模型使用Python实现，分析了不同功率密度下绿光激发下的光电流生成、光电响应度、光电增益和外部量子效率（EQE）。这一仅基于模拟的框架通过文献中的实验数据进行了校准，为单层MoS₂中的载流子生成和传输机制提供了基本理解，有助于设计和优化高性能光电器件（如光晶体管、光电传感器和光控逻辑元件）。

理论及量子传输框架

要准确理解原子级薄晶体器的光电响应特性，需要一个能够同时描述量子传输和光激发载流子动态的模型。本研究采用自洽的非平衡格林函数（NEGF）-泊松（Poisson）理论框架，描述了在光照射下单层MoS₂光控金属氧化物半导体场效应晶体管中的载流子传输行为。该方法考虑了静电势、光子吸收、陷阱态和载流子复合等耦合效应

模拟方法

本研究采用非平衡格林函数（NEGF）理论框架，对基于单层MoS₂的光控金属氧化物半导体场效应晶体管的量子传输行为进行了全面理论模拟。该器件包含位于300纳米SiO₂介质上的单层MoS₂通道，以及掺杂的硅背栅和金（Au）源极和漏极接触（见图1）。所有模拟均使用包含NumPy、SciPy和Matplotlib库的定制Python代码完成。

结果与讨论

本研究利用基于非平衡格林函数（NEGF）的理论框架，详细研究了单层MoS₂光控金属氧化物半导体场效应晶体器的光电特性。分析涵盖了多种光照功率密度及施加的栅极和漏极电压条件。

图2展示了在不同入射光功率（P_light = 10–100微瓦）下，单层MoS₂光控金属氧化物半导体场效应晶体器的（a）输出特性和（b）传输特性。

结论

本研究采用非平衡格林函数（NEGF）理论框架，对在绿光照射下的单层MoS₂光控金属氧化物半导体场效应晶体器进行了全面的量子传输分析。与大多数基于实验数据或半经典漂移扩散模型的研究不同，我们的方法实现了对MoS₂中光激发载流子动态的第一性原理量子模拟。研究结果表明，接近带隙（532纳米）的光子能量对器件性能有显著影响

CRediT作者贡献声明

普雷罗娜·辛哈（Prerona Singha）：负责撰写初稿、数据可视化、软件开发、资源准备、方法设计、实验实施、数据分析及概念构思。P.K. 卡利塔（P.K. Kalita）：负责审稿与编辑、研究监督及数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。