In this work, negative-capacitance (NC) and local surface plasmon resonance (LSPR) coupled MoS2 phototransistors with a gate stack of HZO/AuNPs/Al2O3/MoS2 are fabricated, and the impacts of Al2O3 interlayer-thickness (T AlO) on the LSPR effect, the tensile strain on MoS2 from the Au nanoparticles (AuNPs), the capacitance matching of the NC effect from Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) ferroelectric layer and the optoelectrical properties of the relevant devices are investigated. Through optimizing T AlO, excellent optoelectrical properties of phototransistors with a T AlO of 3 nm are achieved: a subthreshold swing (SS) of 25.76 mV/dec and ultrahigh detectivity of over 1014 Jones under 740 nm illumination. This is primarily because the NC-LSPR coupled structure can achieve an ultra-low SS through capacitance matching and a good interface passivation through optimizing Al2O3 interlayer to maintain effective LSPR and strain effects cross the MoS2 to enhance optical absorption and detection range. This work provides a comprehensive analysis on effective distance range of the non-direct-contacted LSPR effect and its combination with capacitance matching of NC effect, culminating in an optimized NC-LSPR coupled MoS2 phototransistor with a good consistency across an array of 30 devices, and offering a viable solution for the preparation of large-area, high-performance and broad-spectrum response 2D phototransistor array.

中文翻译：

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用于高性能广谱检测的 NC-LSPR 耦合 MoS2 光电晶体管的优化


本工作制备了负电容 （NC） 和局部表面等离子体共振 （LSPR） 耦合的 MoS2 光电晶体管与 HZO/AuNPs/Al2O3/MoS2 的栅极堆栈，研究了 Al2O3 层间厚度 （TAlO） 对 LSPR 效应的影响、Au 纳米颗粒 （AuNPs） 对 MoS2 的拉伸应变、Hf0.5Zr0.5O2 （HZO） 铁电层 NC 效应的电容匹配以及相关器件的光电性能。通过优化 TAlO，实现了 TAlO 为 3 nm 的光电晶体管的出色光电特性：在 740 nm 照明下，亚阈值摆幅 （SS） 为 25.76 mV/dec，探测率超过 1014 Jones。这主要是因为 NC-LSPR 耦合结构可以通过电容匹配实现超低 SS，并通过优化 Al2O3 夹层实现良好的界面钝化，以保持有效的 LSPR，应变效应穿过 MoS2 以增强光吸收和探测范围。本工作综合分析了非直接接触 LSPR 效应的有效距离范围及其与 NC 效应电容匹配的结合，最终形成了优化的 NC-LSPR 耦合 MoS2 光电晶体管，在 30 个器件阵列中具有良好的一致性，为制备大面积、高性能和广谱响应的二维光电晶体管阵列提供了可行的解决方案。