钙钛矿晶体管光电探测器

晶体管型钙钛矿光电探测器作为一种三端器件，和相应的光电导型与光伏型两端器件相比，具有减少噪声及放大信号的双重功能。2015年，Li等人首次报道了基于MAPbX3的晶体管型光电探测器［115］，器件结构如图4.4（a）所示，半导体层所采用的是旋涂法制得的钙钛矿多晶薄膜，他们在器件的上方引入PMMA薄膜，能有效地隔绝水氧，提高了钙钛矿器件的稳定性。图4.4（b）给出了该器件在暗态与10mW／cm2白光照射下的漏电流与栅源极电压之间的转移特性曲线对比图。从图中看出，而在栅源极电压为-40V、漏源极电压为-30V时，器件的暗电流0.1nA，光电流达到0.1mA，相应地亮暗电流比达到106量级。该器件的响应率达到了320A／W，响应速度大约为10μs，较文献［68］中基于光电导原理的测试相比，晶体管型器件在响应速度没有明显牺牲的前提下，响应率得到了大幅度改善。同时，该器件具有双极性特性，既可以工作在积累模式（p型），也可以工作在相反模式下（n型）。邹炳锁团队将溶胶凝胶法制备的SiO2绝缘层用在晶体管型钙钛矿光电探测器中，所有功能层都用旋涂或热蒸镀的方法制备，该器件结构可用于制备柔性器件，在强度0.37μW／cm2的532nm波长激光照射下，栅源极电压为-40V时，器件响应率与探测率分别为10.72A／W、6.2×1013Jones［116］。由于MAPbX3多晶薄膜内部存在离子迁移［117-120］，限制了其载流子迁移率，使得晶体管型器件的响应率也受到了限制。通过在晶体管型多晶薄膜钙钛矿光电探测器中引入石墨烯等高载流子迁移率材料构成异质结构器件（相关的内容将在第五章展开介绍），可以大大提高器件的响应率［121-125］。然而，在异质结型器件中，高迁移率材料的引入导致暗电流升高，降低了亮暗电流比。吴刚团队提出利用离子迁移现象不明显的二维钙钛矿材料（（C6H5C2H4NH3）2SnI4）来获得高响应率（1.9×104A／W）的晶体管型钙钛矿光电探测器［126］，该器件的亮暗电流比为8000。

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图4.4　（a～b）基于MAPbI3的晶体管型光电探测器结构示意图及其在亮暗态下的转移特性曲线［115］；（c）MAPbI3纳米线与碳纳米管异质结构晶体管型光电探测器的结构示意图（插图）及在不同光强下的响应率［128］。

2017年，清华大学董桂芳教授团队报道了基于块体单晶钙钛矿的晶体管型光电探测器［127］。他们的器件中，作为半导体功能层的MAPbI3块体单晶尺寸在mm量级。与其他工作中用SiO2作绝缘层不同，他们用五氧化二钽（Ta2O5）作绝缘层，所制得的晶体管的空穴迁移率略高于电子迁移率，而他们推断这是由于Ta2O5的Ta空轨道具有强的得电子能力，作为电子陷阱阻碍了电子的迁移。在5mW／cm2白光照射下，器件的响应率为2.5A／W，探测性能与基于钙钛矿多晶薄膜的同类器件相比较差。基于钙钛矿纳米结构的晶体管型光电探测器也有报道。2016年，Spina等人报道了基于钙钛矿纳米线的晶体管型光电探测器［128，129］。例如，在文献［128］中，他们利用钙钛矿纳米线与碳纳米管构成了复合结构半导体感光层，如图4.4（c）插图所示，在强度在0.625μW／cm2的532nm波长激光照射下，在栅源极电压为-5V、漏源极电压为0.2V时，器件的响应率达到7.7×105A／W，相应的外量子效率达到1.5×108%，对应图4.4（c）中最低光强的点（375fW）。但是，该器件在高光强下（大于9.5μW／cm2）表现出绝缘特性，无法感光，他们推测这与从钙钛矿纳米线到碳纳米的光诱导电荷转移现象有关。