Большой боковой фотоэлектрический эффект в гетеропереходе MoS2 / GaAs

Фон

Благодаря своим превосходным свойствам дисульфид молибдена (MoS ₂ ) исследуется как один из типичных двумерных материалов для разработки микроэлектронных устройств следующего поколения и оптоэлектронных устройств [1,2,3,4,5]. В отличие от графена, MoS ₂ имеет очевидную ширину запрещенной зоны, и ее запрещенная зона уменьшается с увеличением числа слоев [6]. Наличие очевидной запрещенной зоны позволяет изготавливать MoS ₂ транзисторы с отношением включения / выключения более 10 ⁸ и фотоприемники с высокой чувствительностью [7, 8]. Недавно MoS ₂ в сочетании с другими полупроводниками вызывает большой интерес, например, GaAs, Si и GaN [9,10,11,12,13]. Эти разработанные гетероструктуры обеспечивают возможный технический путь для MoS ₂ материалы для разработки практически применимых оптоэлектронных устройств. Среди всех этих объемных полупроводников GaAs имеет подходящую прямую запрещенную зону ~ 1,42 эВ и высокую подвижность электронов (~ 8000 см ² V ^-1 s ⁻¹ ). Lin et al. сфабрикованный MoS ₂ / GaAs солнечные элементы с эффективностью преобразования энергии более 9,03% [9]. Кроме того, Xu et al. сообщил о MoS ₂ / GaAs-автоприводной фотоприемник с чрезвычайно высокой детектирующей способностью 3,5 × 10 ¹³ Джонс [10]. В предыдущих отчетах исследования MoS ₂ / Гетероструктуры GaAs в основном ориентированы на применение в области солнечных элементов и фотоприемников. Однако MoS ₂ О / GaAs в качестве позиционно-чувствительного детектора (PSD), основанного на боковом фотоэлектрическом эффекте (LPE), сообщалось редко. В отличие от обычного продольного фотоэлектрического эффекта, LPE возникает из-за боковой диффузии и рекомбинации генерируемых фотонами носителей в инверсионном слое на границе раздела [14,15,16,17,18]. В эффекте LPE может быть получено боковое фотоэдс (LPV), которое изменяется линейно с положением лазерного пятна на активной области поверхности устройства. Эти характеристики делают LPE очень полезными при разработке высокопроизводительных PSD и широко изучены в области робототехники, биомедицинских приложений, управления процессами, систем информации о местоположении и т. Д.

В этой работе MoS ₂ на поверхность n наносятся тонкие пленки разной толщины. - / p -GaAs подложки методом магнетронного распыления. В изготовленном MoS ₂ наблюдается большая ЖПД. / н -GaAs гетеропереход, а чувствительность достигла 416,4 мВ мм ⁻¹ . Наши результаты также показывают, что LPE демонстрирует очевидную зависимость от типов носителей в подложках GaAs и толщины MoS ₂ фильмы. За счет построения выравнивания энергетических диапазонов на интерфейсе предлагаются механизмы LPE в устройствах.

Методы

MoS ₂ Нанесение тонких пленок на подложки GaAs с ориентацией (100) осуществлялось методом магнетронного распыления на постоянном токе. MoS ₂ порошки (чистота ~ 99%) прессовались в диск холодным прессованием под давлением 20,0 МПа. Готовый диск (Φ60,0 мм × 4,5 мм) использовался в качестве мишени при напылении. n- / p В наших экспериментах использовались подложки -GaAs соответственно. Перед нанесением подложки были последовательно очищены ультразвуком спиртом, ацетоном и деионизированной водой. Впоследствии MoS ₂ тонкие пленки разной толщины ( d _MoS2 =~ 10, 30, 50, 90 нм) выращивались на подложках GaAs при температуре 400 ° C соответственно. Во время напыления рабочее давление и мощность поддерживались на уровне 1,0 Па и 10,0 Вт соответственно. Для справки:MoS ₂ тонкие пленки были также нанесены на собственный GaAs ( i -GaAs) в тех же условиях. Наконец, на MoS ₂ были прижаты электроды примерно 300 мкм In и диаметром 0,5 мм в качестве электродов. фильм.

MoS ₂ Пленки были охарактеризованы с помощью рамановской спектроскопии (HORIBA, HR800) с длиной волны возбуждения 488 нм. Поверхность образца сканировали с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). Рентгеновскую фотоэмиссионную спектроскопию (XPS) выполняли на спектрометре Kratos Axis ULTRA с монохроматическим источником рентгеновского излучения Al Kα. Скорость осаждения определялась по толщине с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) поперечного сечения (дополнительный файл 1:Рисунок S1) и времени осаждения, затем каждая толщина пленки определялась скоростью осаждения и каждым временем осаждения. Спектры пропускания измеряли на спектрофотометре Shimadzu UV-3150. Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (UPS) проводилась с использованием нефильтрованной газоразрядной лампы He-I (21,22 эВ). LPV измеряли с помощью вольтметра Keithley 2000 и трехмерного электрического моторизованного предметного столика с лазером с длиной волны 650 нм в качестве источника освещения. Ток-напряжение ( I - V ) кривые были измерены с помощью измерителя источника Keithley 2400.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 показан спектр комбинационного рассеяния света MoS ₂ . пленка на подложке GaAs. Помимо пика подложки GaAs на ~ 287,1 см ⁻¹ , два характерных MoS ₂ Видны рамановские пики, A _1g мода на ∼ 406,7 см ⁻¹ и E ¹ _{2 г} мода на ∼ 378.9 см ⁻¹ . Две правые вставки показывают иллюстрацию атомной вибрации в MoS ₂ . . А _1g мода соответствует атомам S, колеблющимся в противофазе вдоль направления вне плоскости, а E ¹ _{2 г} мода соответствует колебаниям атомов S и Mo в противофазе параллельно плоскости кристалла. Как показано на рисунке, пик комбинационного рассеяния, соответствующий A _1g для пленки преимущественно возбуждается мода. Согласно нашим измерениям, коэффициент интенсивности A _1g / E ¹ _{2 г} составляет около 2,1. Эти характеристики комбинационного рассеяния аналогичны другим опубликованным результатам для MoS ₂ тонкие пленки [19]. На левой вставке показано топографическое изображение, полученное с помощью АСМ, 40-нм MoS ₂ пленка, выращенная на подложке GaAs. Из рисунка видно, что поверхность пленки состоит из плотных конусовидных зерен. Согласно измерениям, среднеквадратичная шероховатость пленки составляет около 1,7 нм, а средний размер зерен составляет около 76,3 нм в диаметре. Эти зерна на поверхности могут уменьшить отражение поверхности от внешнего света и увеличить поглощение света изготовленным устройством.

Рамановский спектр MoS ₂ пленка на GaAs. Правые две вставки показывают схематические иллюстрации колебательного режима E ¹ _{2 г} и A _1g , соответственно. Цветовой код атома:светло-сине-зеленый, Мо; желтый, S. На левой вставке показано изображение морфологии поверхности выращенного MoS ₂ фильмы

На рисунке 2 показаны XPS-спектры MoS ₂ . фильм. Как показано на рис. 2а, пики при 229,3 и 232,5 эВ относятся к Mo 3d _5/2 и Mo 3d _3/2 орбитали соответственно. Как показано на рис. 2b, S 2p _3/2 и S 2p _1/2 орбитали двухвалентных сульфид-ионов (S ^2- ) наблюдаются при 162,2 и 163,3 эВ соответственно. Результаты хорошо согласуются с заявленными значениями для MoS ₂ кристалл [17, 18].

XPS-спектры MoS ₂ фильм для а Мо и b S элементы соответственно

На рисунке 3а показан продольный I - V кривая изготовленного MoS ₂ / н -GaAs гетеропереходы. Два In-электрода диаметром около 0,5 мм прижимались к поверхности MoS ₂ . пленка и задняя сторона GaAs соответственно. На вставке представлена ​​принципиальная схема продольных измерений. Прямое напряжение определяется как положительное напряжение смещения, приложенное к верхнему In-электроду. Как показано на рисунке, изготовленный MoS ₂ / н -GaAs-гетеропереход демонстрирует очевидное выпрямляющее поведение. Коэффициент выпрямления ( I ₊ / Я _- ) при ± 1,0 В составляет около 520. В наших экспериментах как In / MoS ₂ и In / GaAs относятся к омическим контактам и их I - V кривые почти линейны. Таким образом, выпрямительный I - V характеристика в гетеропереходе в основном происходит от MoS ₂ / GaAs-контакт. На рисунке 3b показано поперечное сечение I - V кривая изготовленного MoS ₂ / н -GaAs гетеропереходы. Два In-электрода диаметром около 0,5 мм прижимались к поверхности MoS ₂ . фильм. На верхней вставке показана принципиальная схема поперечных измерений. На рисунке I - V кривая показывает слегка нелинейный рост токов с увеличением напряжения. Это указывает на то, что инверсионный слой в MoS ₂ / н -GaAs интерфейс сформирован [18]. На нижней вставке показан I - V кривые одиночного MoS ₂ пленки на собственной подложке GaAs. Как видно из рисунка, почти линейный I - V можно увидеть кривую, дополнительно указывающую на омическую природу In / MoS ₂ контакт. При напряжении +0,5 В ток одиночного MoS ₂ составляет примерно 3,1 × 10 ⁻² мкА, что намного меньше, чем значение в MoS ₂ / н -GaAs, около 2,3 мкА. Таким образом, по сравнению с MoS ₂ пленка, инверсионный слой на MoS ₂ / н -GaAs интерфейс обеспечивает путь с гораздо более низким удельным сопротивлением для транспортировки носителей во время поперечных измерений MoS ₂ / н -GaAs гетеропереход.

а Продольный I - V кривая изготовленного MoS ₂ / н -GaAs гетеропереходы. На вставке представлена ​​принципиальная схема продольных измерений. б Поперечный I - V кривые изготовленного MoS ₂ / н -GaAs гетеропереходы. На верхней вставке показана принципиальная схема поперечных измерений. На нижней вставке показан I - V кривые MoS ₂ пленки на собственной подложке GaAs

На рисунке 4а показана принципиальная схема измерения LPE изготовленного MoS ₂ . / GaAs-гетеропереход. Два In-электрода диаметром 0,5 мм прижимаются к поверхности MoS ₂ . пленка для проведения измерений LPE. Расстояние (2 L ) между электродами составляет ~ 1,0 мм. Во время наших измерений электроды A и B были подключены к положительному и отрицательному щупам вольтметра Keithley 2000 соответственно. На рисунке 4b показаны кривые LPE MoS ₂ . / н -GaAs и MoS ₂ / p -GaAs гетеропереходы соответственно. Толщина MoS ₂ пленки составляет ~ 30.0 нм. Когда поверхность MoS ₂ пленка частично освещается лазерным пятном диаметром около 0,1 мм, в MoS ₂ можно наблюдать большой LPE. / н -GaAs гетеропереход. Как показано на рисунке, LPE показывает приблизительно линейную зависимость от положения лазерного пятна, когда лазерное пятно перемещается между электродами A и B на MoS ₂ поверхность. Из рисунка видно, что ЛПВ зависит от положения лазерного пятна. Это можно согласовать с теорией диффузии [16],

где K ₀ , 2 L , d , и x представляют собой коэффициент пропорциональности, расстояние между двумя электродами, длину диффузии носителей и положение лазерного пятна соответственно. Хорошо подогнанные результаты на рисунке ясно показывают, что LPE в MoS ₂ / н -GaAs-гетеропереход возникает из-за бокового диффузного потока и рекомбинации возбужденных носителей вдали от положения лазера. Как показано на рисунке, значение LPV равно нулю, когда световое пятно находится в центре между двумя электродами, что может быть связано с диффузионной симметрией носителей. Когда световое положение близко к электроду А, LPV положительный, и наоборот. Это указывает на то, что LPE в MoS ₂ / н -GaAs-гетеропереход обусловлен фотовозбужденными носителями дырочного типа. Максимальный LPV достигается, когда лазерное излучение находится ближе всего к электродам. Согласно нашим измерениям, максимальная боковая фотоэдс (LPV _max ) составляет около 208,2 мВ в линейной области MoS ₂ / н -GaAs гетеропереход. Для сравнения, LPV MoS ₂ / p -GaAs-гетеропереход намного меньше и его LPV _max составляет всего 7,3 мВ, как показано на рисунке. Из рисунка видно, что LPE MoS ₂ / p -GaAs-гетеропереход определяется фотовозбужденными носителями электронного типа. Кроме того, нелинейные характеристики LPE MoS ₂ / p -GaAs-гетеропереход можно увидеть на рисунке, когда лазерное пятно перемещается между электродами A и B.

а Принципиальная схема измерения LPE. б Кривые LPE MoS ₂ / н -GaAs и MoS ₂ / p -GaAs гетеропереходы соответственно

На рисунке 5 показана чувствительность LPE MoS ₂ . / н -GaAs-гетеропереход в зависимости от мощности и толщины лазера ( d _MoS2 ) МОС ₂ фильм. Чувствительность определяется S =LPV _макс / L . Очевидно, что S сначала резко увеличивается с увеличением мощности лазера, но затем медленно насыщается при дальнейшем увеличении мощности. Это насыщение могло быть вызвано быстрым увеличением скорости рекомбинации фотовозбужденных дырок с увеличением интенсивности лазера в освещенной области [20]. Как показано на рисунке, очевидная LPE и высокая чувствительность могут быть получены даже при слабом лазерном освещении 100,0 мкВт. Из рисунка заметна значительная зависимость чувствительности от толщины MoS ₂ фильмы можно посмотреть. Когда d _MoS2 =~ 10,0 нм, S =165,4 мВ мм ⁻¹ при лазерной освещенности 100,0 мкВт. С увеличением толщины пленки S постепенно увеличивается. Когда d _MoS2 =30,0 нм, S достигает 416,4 мВ мм ⁻¹ . Эта чувствительность намного выше, чем сообщаемый MoS ₂ / Si устройства [17, 18]. Через d _MoS2 > 30,0 нм, S уменьшается при дальнейшем увеличении MoS ₂ толщина. Когда d _MoS2 =90,0 нм, S = 283,3 мВ мм ⁻¹ . Таким образом, для получения максимальной LPE и чувствительности существует оптимальная толщина MoS ₂ пленка в изготовленном MoS ₂ / н -GaAs, около 30,0 нм.

Зависимость положительной и отрицательной чувствительности изготовленного MoS ₂ / н -GaAs гетеропереход по мощности лазера соответственно

На рисунке 6а представлены спектры ИБП MoS ₂ . пленка на подложке Si. Работа выхода ( W ) пленки можно рассчитать по разнице между отсечкой максимальной энергии связи и энергией фотонов возбуждающего излучения. На рисунке W =5,24 эВ. Расстояние (∆ E ) между валентной зоной ( E _V ) и уровня Ферми ( E _F ) MoS ₂ пленка может быть извлечена из начальной энергии, как показано на вставке. ∆ E для MoS ₂ пленки составляет около 0,51 эВ. Используя данные из спектра пропускания MoS ₂ пленка на кварцевой подложке, ( αhν ) ² график как функция энергии фотона hν , при этом h - постоянная Планка и ν - частота фотона. α коэффициент поглощения, рассчитываемый по формуле αd =ln (1 / T ) [21], где d и T - толщина и коэффициент пропускания пленки соответственно. Ширина запрещенной зоны ( E _g ) пленки можно определить по пересечению линии на hν ось, E _g =1,54 эВ, как показано на рис. 6б. На основе этих параметров энергетической зоны p -тип поведения MoS ₂ пленка может быть определена, что может быть дополнительно подтверждено измерениями Холла. Результаты Холла показывают, что концентрация носителей дырочного типа и подвижность составляют примерно 3,8 × 10 ¹⁵ см ⁻³ и 11,2 см ² V ^-1 s ⁻¹ соответственно.

а Спектры ИБП MoS ₂ пленка на GaAs, показывающая уровень Ферми пленок и расстояние между уровнем Ферми и верхним краем зоны проводимости. б ( αhν ) ² ~ hν кривая УФ-спектра MoS ₂ пленка на кварцевой подложке при тех же условиях осаждения

Для выяснения механизмов LPE в MoS ₂ / GaAs, зонные диаграммы на границе раздела построены на основе результатов, представленных на рис. 6. Здесь E _g =1,42 эВ и E _F =4,17 эВ для n -GaAs учитываются при построении зонной структуры [22]. Когда MoS ₂ Если пленка нанесена на подложку GaAs, электроны перетекают из GaAs в MoS ₂ пленка на интерфейсе из-за более высокого E _F GaAs. Текущий процесс останавливается, когда уровни Ферми равны и MoS ₂ / GaAs p - нет соединение изготовлено, как показано на рис. 7а. Следовательно, встроенное поле ( E _би ) формируется на интерфейсе MoS ₂ / GaAs-гетеропереход. E _би =[ E _F ( нет -GaAs) - E _F (MoS ₂ )] / e =1,07 В и указывает от GaAs к MoS ₂ фильм. Таким образом, асимметричный продольный I - V кривая приведена на рис. 3а. Из-за наличия сильного E _би , большое количество дырочных носителей накапливается вблизи границы раздела, и в n -GaAs подложка рядом с границей раздела, как показано на рис. 7b. Подобно двумерному дырочному газу (2DHG) [23], инверсионный слой может демонстрировать свойство высокой проводимости из-за высокой концентрации дырок в листе ( p + ). Из рис. 3b видно, что проводимость инверсионного слоя намного больше, чем у MoS ₂ фильм. Таким образом, проводимость между двумя электродами на одной стороне MoS ₂ В пленке преобладает инверсионный слой, а не MoS ₂ фильм. Когда переход частично освещается лазером, свет поглощается и электронно-дырочные пары в MoS ₂ пленка и GaAs могут быть индуцированы соответственно, как показано на рис. 7c. Однако можно ожидать, что большая часть лазера поглощается подложками GaAs из-за его гораздо большей толщины и меньшей ширины запрещенной зоны. При лазерном освещении электронно-дырочные пары могут возбуждаться только в освещенной области и пространственно разделены E _би . Из-за ориентации E _би указывает с GaAs на MoS ₂ фотовозбужденные дырки текут к границе раздела и попадают в инверсионный слой в GaAs, как показано на рис. 7c. Фотовозбужденные отверстия в инверсионном слое диффундируют вбок от освещенного пятна к двум электродам. Концентрация возбужденных дырок, собранных двумя электродами, различна на разных расстояниях от освещенного пятна. Таким образом, между электродами образуется большой LPV, и LPE наблюдается в гетеропереходе. Это согласуется с результатами аппроксимации на рис. 3b и LPE в MoS2 / n -GaAs гетеропереходы в основном возникают в результате диффузии носителей заряда. Когда MoS ₂ пленка наносится на p -GaAs субстрат, a p - p гетеропереход формируется, как показано на рис. 7г. E _F ( p -GaAs) =5,32 эВ используется на зонной диаграмме [22]. E _би из p - p Гетеропереход можно рассчитать, 0,08 В, и его направление указывает от пленки к подложке. Из-за E _би , носители электронного типа накапливаются вблизи границы гетероперехода и формируется инверсионный слой. Таким образом, LPE, индуцированная диффузией фотовозбужденных электронов, получается в MoS ₂ / GaAs p - p гетеропереход, как показано на рис. 4. Однако концентрация накопленных носителей в инверсионном слое может быть ниже из-за слабого V _би всего 0,08 В в p - p гетеропереход по сравнению с p -MoS ₂ / н -GaAs переход. Это увеличивает трудности транспортировки фотовозбужденных электронов в инверсионном слое. Серьезно, барьеры Шоттки могут быть образованы между n слой инверсии типа и p -MoS ₂ пленка, как показано на рис. 7e. Эти характеристики p -MoS ₂ / p -GaAs переход подавляет сбор фотовозбужденных электронов на электродах. В результате можно было значительно снизить LPE. Как показано на рис. 4b, LPV _max для p - p переход составляет всего 7,3 мВ, в то время как он достигает 208,2 мВ в p - нет перекресток.

а Выравнивание диапазона энергий MoS ₂ / н -GaAs гетеропереход и b соответствующий рисунок электрического контакта на интерфейсе. c Механизм LPE в MoS ₂ / н -GaAs гетеропереход. г Выравнивание диапазона энергий MoS ₂ / p -GaAs гетеропереход и e соответствующий рисунок электрического контакта на интерфейсе

Обычно в описанных СПМ типа гетероперехода LPE можно настраивать, изменяя толщину защитных слоев [20]. Это можно хорошо понять, рассматривая рекомбинацию фотовозбужденных носителей в пленке и эволюцию встроенного поля. В MoS ₂ / GaAs p - нет перехода, рекомбинация генерируемых фотонами носителей может быть усилена из-за длинного пути транспортировки в толстом MoS ₂ пленки до того, как они будут собраны электродами. Это снижает LPE гетеропереходов. И наоборот, более тонкая пленка может значительно уменьшить рекомбинацию, что приводит к увеличению LPE. Однако когда MoS ₂ толщина меньше критического значения, E _би на интерфейсе уменьшается с дальнейшим уменьшением MoS ₂ толщина [24]. Это может уменьшить разделение генерируемых фотонами электронно-дырочных пар, и LPE уменьшается. Таким образом, существует оптимальная толщина MoS ₂ пленка для получения максимальной LPE, около 30 нм.

Выводы

Таким образом, MoS ₂ Тонкие пленки наносились на поверхность подложки GaAs методом магнетронного распыления. В изготовленном MoS ₂ был получен большой LPE. / н -GaAs-гетеропереход, а зависимость LPV от положения лазерной засветки показала хорошую линейность. Из-за образования сильного встроенного поля на интерфейсе MoS ₂ / н -GaAs-гетеропереход показал высокую чувствительность 416,4 мВ мм ⁻¹ , тогда как значение было всего 7,3 мВ мм ⁻¹ для MoS ₂ / p -GaAs. Наши результаты также показали, что LPE демонстрирует очевидную зависимость от толщины MoS ₂ пленки и около 30,0 нм была оптимальной толщиной MoS ₂ пленка для получения самого высокого LPE в изготовленном MoS ₂ / н -GaAs гетеропереходы. Механизмы LPE в MoS ₂ / GaAs-устройства были уточнены на основе выравнивания энергетических зон на границе раздела.

Сокращения

∆ E :

Расстояние между E _V и E _F

d _MoS2 :

Толщина MoS ₂ фильм

E _би :

Встроенное поле

E _C :

Уровень зоны проводимости

E _F :

Уровень энергии Ферми

E _g :

Ширина запрещенной зоны

E _V :

Уровень полосы валентности

I - V :

Ток-напряжение

LPE:

Боковой фотоэлектрический эффект

LPV:

Боковое фотоэдс

LPV _max :

Максимальное боковое фотоэдс

MoS ₂ :

Дисульфид молибдена

PSD:

Позиционно-чувствительный детектор

ИБП:

Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия

W :

Рабочая функция