Исключительный латеральный фотоэлектрический эффект в гетероструктурах MoS₂/GaAs для ультрачувствительного позиционного детектирования

Аннотация

Сообщается о рекордном латеральном фотоэлектрическом эффекте (LPE) в тонких пленках дисульфида молибдена (MoS₂), осажденных на n-GaAs методом магнетронного спуттеринга постоянного тока. Гетероструктуры MoS₂/n-GaAs демонстрируют линейный фотонапряжение, возрастающее до 208,2 мВ при приближении лазерного пятна к электродам, что соответствует чувствительности 416,4 мВ/мм. Это значение далеко превосходит чувствительности для MoS₂/Si и других MoS₂-устройств. В противовес, MoS₂/p-GaAs переходы показывают гораздо более слабый LPE (7,3 мВ). Анализ зонного выравнивания атрибутирует превосходную производительность сильному встроенному полю (E_bi = 1,07 В), формирующему высокопроводящий инверсионный слой в n-GaAs, обеспечивающему эффективную латеральную диффузию носителей. Оптимальная толщина MoS₂ ≈ 30 нм, балансирующая диффузию и рекомбинацию носителей. Результаты показывают, что MoS₂/GaAs гетероструктуры перспективны для высокопроизводительных позиционно-чувствительных детекторов.

Введение

Дисульфид молибдена (MoS₂) — прототипический двухмерный полупроводник с настраиваемым зазором, высокими отношениями вкл/выкл (>10⁸) в транзисторах и фото детекторах с высокой отзывчивостью. В отличие от беззазорного графена, прямой зазор MoS₂ (~1,8 эВ для монослоя, уменьшающийся с числом слоев) делает его идеальным для оптоэлектроники. Недавние работы интегрировали MoS₂ с III-V полупроводниками (GaAs, Si, GaN) для использования комплементарных свойств. GaAs с прямым зазором 1,42 эВ и подвижностью электронов ~8000 см²/В·с позволил MoS₂/GaAs солнечные элементы (КПД > 9%) и самопитные фото детекторы с детектируемостью 3,5 × 10¹³ Джонс. Однако латеральные фотоэлектрические детекторы на MoS₂/GaAs были мало изучены. LPE, возникающий из латеральной диффузии и рекомбинации фотоносителей в инверсионном слое, дает фотонапряжение, линейно зависящее от позиции лазерного пятна, и высоко ценно для позиционно-чувствительных детекторов (PSD) в робототехнике, биомедицинском сенсинге и процессном контроле.

Методы

MoS₂ порошок (99% чистоты) прессовали холодным прессованием (20 МПа) в мишень 60 мм × 4,5 мм и спуттерировали на (100) GaAs подложки (n-, p-, интринсик) при 400 °C, 1 Па, 10 Вт. Толщины пленок (~10–90 нм) настраивали временем осаждения, подтверждая поперечным СЭМ. In-прокладки (300 мкм × 0,5 мм) служили электродами. Характеризация: Раман (488 нм), АФМ, XPS (Kratos Axis ULTRA), УФ-виз пропускание (Shimadzu UV-3150), УФ-фотоэлектронная спектроскопия (UPS, He-I 21,22 эВ), электрические измерения (Keithley 2000/2400). LPE зондировали 650-нм лазерным пятном (~0,1 мм), сканируемым между двумя In-контактами (~1 мм между ними). Чувствительность S = LPV_max/L.

Результаты и обсуждение

Структурная и спектроскопическая валидация — Раман пики 406,7 см⁻¹ (A₁g) и 378,9 см⁻¹ (E¹₂g) подтверждают кристаллическое MoS₂; отношение интенсивностей A₁g/E¹₂g ≈ 2,1 соответствует литературе. АФМ показывает плотные конусообразные зерна (~76 нм) с шероховатостью RMS 1,7 нм, улучшающими поглощение света.

Электрическое поведение — MoS₂/n-GaAs гетероструктуры показывают выпрямляющие ВАХ с отношением ~520 при ±1 В (рис. 3а). Поперечные ВАХ раскрывают слабую нелинейность, указывающую на инверсионный слой в n-GaAs (рис. 3б). В противовес, MoS₂ на интринсик GaAs дает линейные ВАХ, подтверждая омические In/MoS₂ контакты.

Латеральный фотоэлектрический эффект — LPE-кривые для MoS₂/n-GaAs линейны относительно позиции лазерного пятна, аппроксимируются диффузионной моделью LPV = K₀[exp(−|L−x|/d)−exp(−|L+x|/d)]. Максимальный LPV = 208,2 мВ, тогда как MoS₂/p-GaAs дает только 7,3 мВ, подтверждая зависимость от типа проводимости. Чувствительность пик 416,4 мВ/мм для 30-нм MoS₂, падает для более толстых пленок из-за роста рекомбинации, и растет для более тонких из-за снижения встроенного поля (рис. 5).

Зонный анализ — UPS дает работу выхода MoS₂ 5,24 эВ и смещение валентной зоны 0,51 эВ, указывая на p-тип поведение. Совместно с параметрами GaAs (E_g = 1,42 эВ, E_F = 4,17 эВ для n-GaAs) интерфейс образует p-n переход с E_bi = 1,07 В, направленным от GaAs к MoS₂, создающим высокопроводящий инверсионный слой (рис. 7а–б). Для p-GaAs слабое E_bi (0,08 В) дает низкую концентрацию носителей в инверсионном слое и соответствующе слабый LPE (рис. 7г–е).

Оптимизация толщины MoS₂ балансирует диффузию носителей против рекомбинации, давая максимум LPE при ~30 нм.

Заключение

Магнетронно-спуттеренные MoS₂ пленки на n-GaAs генерируют исключительный LPE с чувствительностью 416,4 мВ/мм и линейным напряжением от позиции лазера. Сильное встроенное поле и инверсионный слой лежат в основе этой производительности, в то время как p-GaAs аналог показывает значительно меньшую чувствительность (7,3 мВ/мм). Толщина MoS₂ 30 нм оптимизирует компромисс между диффузией и рекомбинацией носителей. Эти выводы подтверждают MoS₂/GaAs гетероструктуры как перспективные платформы для высокопроизводительных позиционно-чувствительных детекторов.

Аббревиатуры

ΔE

Расстояние между E_V и E_F

d_MoS2

Толщина MoS₂ пленки

E_bi

Встроенное поле

E_C

Уровень проводимой зоны

E_F

Ферми-уровень

E_g

Энергия запрещенной зоны

E_V

Уровень валентной зоны

I–V

Вольт-амперная характеристика

LPE

Латеральный фотоэлектрический эффект

LPV

Латеральное фотонапряжение

LPV_max

Максимальное латеральное фотонапряжение

MoS2

Дисульфид молибдена

PSD

Позиционно-чувствительный детектор

UPS

Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия

W

Работа выхода