Зависящая от смещения фоточувствительность многослойных фототранзисторов MoS2

Фон

В последнее время материалы из дихалькогенидов переходных металлов (TMD), включая дисульфид молибдена (MoS ₂ ) и диселенид вольфрама (WSe ₂ ) получили значительное внимание как материал канала для наноэлектронных устройств следующего поколения [1,2,3,4,5,6]. В частности, тонкопленочные транзисторы, использующие MoS ₂ проявляют интересные электрические характеристики, такие как высокая подвижность электронов (~ 200 см ² V ^-1 s ⁻¹ ), высокий коэффициент включения / выключения тока (~ 10 ⁸ ) и низкое подпороговое колебание (~ 70 мВ дек ⁻¹ ) в однослойном MoS ₂ транзистор [7]. Кроме того, MoS ₂ привлекает внимание как светопоглощающий слой в оптоэлектронных устройствах из-за его запрещенной энергии (однослойный MoS ₂ имеет прямую запрещенную зону 1,8 эВ [8] и объемный MoS ₂ имеет непрямую запрещенную зону 1,2 эВ [9]) и большой коэффициент поглощения ( α =1–1,5 × 10 ⁶ см ⁻¹ для однослойного [10] и 0,1–0,6 × 10 ⁶ см ⁻¹ для объема [11]). Следовательно, фототранзисторы, использующие MoS ₂ имеют низкий темновой ток в выключенном состоянии и высокую светочувствительность. Производительность MoS ₂ Фототранзисторы были улучшены за счет введения дополнительного слоя, такого как графен [12,13,14,15], квантовая точка [16,17,18], органический краситель [19], WS ₂ [20,21,22], ZnO [23] и MoS p-типа ₂ [24] или изменением диэлектрика затвора [7, 25, 26]. Таким образом, было активно проведено множество исследований по улучшению светочувствительности за счет дополнительных производственных процессов; тем не менее, отсутствуют исследования по контролю усиления и конкретное понимание MoS ₂ фототранзисторы. Когда управление усилением включено, можно надежно обнаруживать широкий диапазон интенсивности света, а усиление можно увеличивать без какого-либо дополнительного производственного процесса. В этом контексте мы исследовали фотореактивность, контролируемую смещением (стоком или затвором) в многослойном MoS ₂ фототранзисторы.

Методы

На рисунке 1а показана принципиальная схема изготовленного многослойного MoS ₂ . фототранзистор. Мы вырастили 250 нм SiO ₂ на кремниевой подложке с сильным n-легированием. Многослойный MoS ₂ хлопья были механически отслоены от объемного MoS ₂ (Супермаркет Graphene, США) и переведен на SiO ₂ / Si с использованием обычного метода скотча [27]. На электроды истока и стока был нанесен узор с помощью фотолитографии, и Ti / Au (5/80 нм) были нанесены на узор с использованием электронно-лучевого испарителя. На рисунке 1b показано изображение изготовленного фототранзистора, полученное с помощью АСМ (атомно-силового микроскопа). Длина и ширина канала составляют 7,31 и 4,74 мкм соответственно, а на вставке показана толщина многослойного MoS ₂ . составляет примерно 49 нм, что соответствует примерно 75 слоям, если принять толщину одного слоя 0,65 нм [28, 29].

Изготовленный MoS ₂ фототранзистор и электрические характеристики. а Принципиальная схема изготовленного многослойного MoS ₂ фототранзистор. б Изображение фототранзистора с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). На вставке - график поперечного сечения вдоль красной линии на изображении АСМ. c Передаточные характеристики многослойного MoS ₂ фототранзистор с напряжениями стока 3, 9, 15, 21 и 27 В в темноте. г Вариации допорогового колебания при увеличении смещения стока

Результаты и обсуждение

На рисунке 1c показаны передаточные характеристики многослойного MoS ₂ . фототранзистор со смещением стока 3, 9, 15, 21 и 27 В в темноте. Вольт-амперные характеристики изготовленного многослойного MoS ₂ фототранзистора были измерены с использованием двухканального измерителя источника (Keithley 2614B) при комнатной температуре и N ₂ окружающий. Соотношение ВКЛ / ВЫКЛ составляет примерно 10 ⁵ . Подвижность полевого эффекта оценивается в 18,6 см ² . / V s для смещения стока 3 В из следующего уравнения [26]:

где L длина канала, Вт ширина канала, а емкость оксида C _OX равно 1,38 × 10 ⁻⁸ Ф / см ² . Было ясно видно, что при увеличении смещения стока пороговое напряжение уменьшается, а подпороговый размах увеличивается. Это указывает на то, что смещение стока влияет на пороговое напряжение и подпороговое колебание. Обычно пороговое напряжение оценивается по формуле:

где V _GS (0) - это точка пересечения между линией тренда в линейной части переходной кривой и x -ось. Однако уравнение. (2) предполагает небольшое смещение стока, так что эффекты насыщения скорости пренебрежимо малы ( V _DS 〈〈 L ⋅ ν _сб / μ _eff =10 В, где ν _сб - скорость насыщения и μ _eff - подвижность полевого эффекта); поэтому трудно определить точное пороговое напряжение для большого смещения стока. По этой причине мы извлекли только изменение подпорогового колебания и подтвердили влияние смещения стока на канал. На рисунке 1d показано изменение подпорогового колебания, извлеченное из наклона линейной части бревна ( I _Д ) - ( V _GS ) график для различных смещений стока. Допороговое колебание увеличилось с 1,44 В / декаду до 3,14 В / декаду, когда смещение стока увеличилось с 3 до 27 В. Это означает, что большое смещение стока снижает барьер между MoS ₂ канал и электрод истока из золота, что ослабляет управляемость канала смещения затвора.

Чтобы исследовать реакцию MoS ₂ На фототранзисторе мы измерили передаточные характеристики при различных плотностях мощности освещения с помощью твердотельного лазера с диодной накачкой (DPSS) с длиной волны 466 нм. На рисунке 2а показаны передаточные характеристики многослойного MoS ₂ . фототранзистор в темноте и при трех различных интенсивностях света (5, 7 и 10 мВт / см ² ), при напряжении на стоке 3 В. По мере увеличения интенсивности света передаточная кривая смещается влево, что показывает, что фотогенерированные дырки захвачены в MoS ₂ канал и действует как положительное смещение затвора [13, 30, 31]. Рисунок 2b показывает, что изменение фототока и чувствительности при увеличении интенсивности света и смещения стока при постоянном смещении затвора - 30 В. Фототок получается разницей между током стока при освещении и в темноте ( I _ph = Я _{с подсветкой} - Я _темный ), а отзывчивость определяется I _ph / P _свет , где I _ph фототок и P _свет оптическая мощность, излучаемая на MoS ₂ канал. По мере увеличения смещения стока и интенсивности света фототок и чувствительность увеличиваются. Рассматривая лазер с длиной волны 466 нм, чувствительность, соответствующая 100% внешней квантовой эффективности (EQE), составляет 0,375 А / Вт, а измеренная чувствительность превышает это значение, когда смещение стока составляет 15 В, а интенсивность света равна 8 мВт / см ² . Это означает, что в этом многослойном MoS ₂ есть усиление фотоотклика. фототранзистор и что на него влияет смещение стока.

Характеристики фотоотклика MoS ₂ фототранзисторы в зависимости от интенсивности освещенного света. а Передаточные характеристики с постоянным V _DS =3 В при освещении тремя разными уровнями интенсивности света (5, 7 и 10 мВт / см ² ). б Изменение фототока с увеличением интенсивности света при различных смещениях стока ( V _DS =9, 15 В) и постоянное смещение затвора ( V _GS =- 30 В)

Чтобы наблюдать изменение светочувствительности в зависимости от напряжения на затворе, мы измерили фототок при увеличении напряжения стока с 3 до 27 В при 5 мВт / см ² световое освещение (рис. 3а). По мере увеличения приложенного смещения затвора фототок экспоненциально увеличивается в выключенном состоянии ( V _GS < V _th ) и становится насыщенным в состоянии ВКЛ ( V _th < V _GS ). Это связано с тем, что, когда приложенное смещение затвора составляет -30 В (состояние ВЫКЛ.) И он горит (рис. 3b), между MoS ₂ образуется большой барьер. канал и электроды истока / стока (Au). Таким образом, электроны, необходимые для поддержания нейтральности канала, которая была разрушена захваченными дырками, плохо вводятся в канал. Однако, когда смещение затвора увеличивается до порогового напряжения, барьер становится меньше, и электроны могут легко диффундировать в MoS ₂ канал. Следовательно, фототок экспоненциально возрастает перед пороговым напряжением. С другой стороны, если смещение затвора становится больше, чем пороговое напряжение, то есть, когда устройство включается, барьер в достаточной степени понижается, и фототок становится насыщенным (рис. 3c). Также было замечено, что фототок увеличивается как в выключенном, так и в включенном состоянии по мере увеличения смещения стока. Это означает, что в отличие от фотоотклика обычного фототранзистора, который измеряется только в выключенном состоянии [26, 32], существует усиление фотоотклика даже во включенном состоянии при увеличении напряжения стока.

Фотоответ MoS ₂ фототранзисторы в зависимости от приложенного смещения. а Фототок при различных напряжениях стока (3, 9, 15, 21 и 27 В) и постоянной интенсивности света (5 мВт / см ² ) в зависимости от смещения затвора. б, в Диаграммы энергетических зон многослойного MoS ₂ фототранзистор

Чтобы проверить влияние смещения стока на светочувствительность MoS ₂ Фототранзистор в выключенном и включенном состояниях, характеристики фотоотклика измерялись путем освещения его светом и фиксации смещения затвора -30 и 27 В, соответствующих состояниям выключения и включения, соответственно. На рис. 4a показано изменение фототока, а на рис. 4b показаны чувствительность и удельная обнаруживающая способность в зависимости от смещения стока в выключенном состоянии. Удельная обнаруживающая способность извлекается из уравнения [26, 33]:

где R это отзывчивость, A это площадь MoS ₂ канал, q - удельная стоимость, а I _темный это темный ток. В выключенном состоянии фототок и чувствительность возрастают экспоненциально с увеличением смещения стока. Следовательно, фототок (чувствительность), составлявший 4,28 × 10 ⁻¹⁴ A (0,12 А / Вт) при смещении стока 3 В и интенсивности света 10 мВт / см ² , резко увеличилось до 1,57 × 10 ⁻⁸ A (4,53 А / Вт) при подаче напряжения стока 27 В. Эти результаты показывают, что фототок и чувствительность экспоненциально увеличиваются с увеличением смещения стока. С другой стороны, во включенном состоянии фототок (рис. 4c) и чувствительность (рис. 4d) линейно увеличиваются и становятся насыщенными по мере увеличения смещения стока. При постоянной интенсивности света 5 мВт / см ² а смещение стока было увеличено с 3 до 27 В, фототок (чувствительность) увеличился в 5 раз с 2,9 × 10 ⁻⁶ A (1677 А / Вт) до 1,5 × 10 ⁻⁵ А (8667 А / Вт). Более того, детективность показывала ту же тенденцию, что и реактивность. В выключенном состоянии (рис. 4b) он увеличился с 1,76 × 10 ⁸ Джонса до 2,87 × 10 ⁸ Джонса, когда смещение стока было увеличено с 3 до 27 В при интенсивности света 10 мВт / см ² . Во включенном состоянии (рис. 4г) он увеличился с 6,14 × 10 ⁹ Джонса до 8,63 × 10 ⁹ Джонса, когда смещение стока было увеличено с 3 до 27 В при интенсивности света 5 мВт / см ² . Следовательно, поскольку в выключенном состоянии преобладает диффузионный ток, чувствительность увеличивается экспоненциально по мере увеличения смещения стока. С другой стороны, во включенном состоянии преобладает дрейфовый ток; следовательно, чувствительность увеличивается линейно по мере увеличения смещения стока.

Характеристики фотоотклика, измеренные при четырех различных уровнях освещенности (5, 7, 8 и 10 мВт / см ² ) при увеличении смещения стока. а Фототок, b чувствительность и специфическая обнаруживаемость в выключенном состоянии. Вставки в a и b построены с логарифмической шкалой фототока и чувствительности соответственно. c Фототок, d чувствительность и специфическая обнаруживающая способность во включенном состоянии

Наблюдаемые характеристики зависимости от смещения стока многослойного MoS ₂ Фототранзистор можно объяснить схематической диаграммой энергетических зон, показанной на рис. 5. Когда многослойный MoS ₂ канал освещается, электронно-дырочные пары фотогенерируются в канале. Фотогенерируемые дыры задерживаются в MoS ₂ канал, тем самым нарушив нейтралитет канала. Затем положительно заряженный канал привлекает больше электронов от источника для поддержания нейтральности, и количество электронов, поступающих от источника, определяет усиление фотоотклика. Когда приложенное смещение затвора ниже порогового значения, существует большой барьер между MoS ₂ канал и исток, как показано на рис. 5а, и ток стока ограничивается диффузией через барьер. По мере увеличения приложенного смещения стока (рис. 5b) барьер понижается из-за изгиба MoS ₂ канал, тем самым облегчая подачу электронов для нейтральности канала. Следовательно, как показано на рис. 4b, светочувствительность увеличивается экспоненциально для смещения стока. Когда приложенное смещение затвора выше порога, барьер между MoS ₂ а исток достаточно мал (рис. 5в), ток стока ограничен дрейфом носителей заряда в канале. Следовательно, скорость дрейфа носителей является основным фактором изменения светочувствительности. В этом режиме по мере увеличения приложенного смещения стока (рис. 5d) скорость носителя и светочувствительность линейно возрастают и достигают насыщения при определенном смещении стока (~ 10 В), как показано на рис. 4d.

Диаграмма энергетического диапазона многослойного MoS ₂ фототранзистор при освещении при смещении низкого стока в ВЫКЛ. ( V _GS < V _th ) состояние ( a ) и смещение высокого стока в выключенном состоянии ( b ). Смещение низкого стока в ON ( V _GS > V _th ) состояние ( c ) и смещение высокого стока во включенном состоянии ( d )

Выводы

Мы изготовили многослойный MoS ₂ на основе фототранзистора и подробно исследовал его фотореактивность, управляемую смещением (стоком или затвором). Изменение светочувствительности в соответствии с смещением можно разделить на два случая:когда смещение затвора меньше порогового напряжения (состояние ВЫКЛ) и когда смещение затвора больше порогового напряжения (состояние ВКЛ). Когда смещение затвора меньше порогового напряжения, небольшое количество электронов диффундирует в канал из-за большого барьера между MoS ₂ и электрод истока. По мере увеличения смещения затвора или стока высота барьера уменьшается, а количество электронов, вводимых в канал для обеспечения нейтральности, увеличивается. В результате светочувствительность увеличивается экспоненциально. С другой стороны, когда смещение затвора больше порогового напряжения, на светочувствительность влияет скорость носителей, а не высота барьера, потому что ток ограничен скоростью дрейфа носителей. По мере увеличения смещения стока скорость носителя линейно увеличивается и становится насыщенной. Поэтому светочувствительность увеличивается линейно и становится насыщенной. Мы смогли понять вариации чувствительности в многослойном MoS ₂ фототранзисторы на основе затвора или стока. Таким образом, усиление можно контролировать для увеличения диапазона применения MoS ₂ фототранзистор и оптимально работать в зависимости от назначения и окружающей среды.