Воздушно-стабильный MoTe₂ фототранзистор с асимметричными контактами: сильный фотоэлектрический отклик и субмиллисекундная скорость

Аннотация

Мы сообщаем о фабрикации воздушно-стабильного, p-типа, многослойного MoTe₂ фототранзистора, включающего асимметричные контакты источника и стока. Используя Au электроды, устройство демонстрирует выраженный фотоэлектрический отклик в выключенном состоянии. Пространственно-разрешенное картирование фототока сканирующей фотокатегорией микроскопией раскрывает, что потенциальные ступеньки формируются на интерфейсах MoTe₂/электрод из-за металл-индуцированного легирования. Эти ступеньки доминируют в разделении носителей заряда при коротком замыкании или низком смещении источник-сток, давая чистый фототок. Устройство отвечает быстрее в режиме короткого замыкания, с временем нарастания и спада ниже 1 мс, и его фотоотклик распространяется в ближний инфракрасный до 1550 нм.

Введение

Двумерные (2D) материалы, такие как графен и дихалькогениды переходных металлов (TMDs), трансформировали нанонауку, предлагая атомно тонкие полупроводники с заметными запрещенными зонами и исключительной механической гибкостью [1–9]. Среди них, 2H-MoTe₂ примечателен своей непрямой запрещенной зоной 0,83 эВ в объеме и прямой запрещенной зоной 1,1 эВ при утоньшении до монослоя [22,23]. Этот материал изучали для спинтроники, полевых транзисторов (FET), фотодетекторов и солнечных элементов [24–33]. Электрическая производительность MoTe₂ устройств зависит от качества металлических контактов. Подходящие материалы электродов могут индуцировать p- или n-тип легирование и достигать низкобарьерного Омического контакта [34–40]. Хотя многие исследования сравнивают контактные металлы, мало кто систематически изучал, как асимметричные контактные геометрии влияют на физику устройства, особенно в фотовольтаических фотодетекторах.

Здесь мы фабрикуем воздушно-стабильный, p-тип, многослойный MoTe₂ фототранзистор с асимметричными поперечными сечениями контактов источника/стока. Используя сканирующую фотокатегорию микроскопию (SPCM), мы картируем пространственный потенциальный профиль и демонстрируем, что асимметричные контакты дают ненулевой чистый фототок и фотоэлектрическое поведение даже в выключенном состоянии. Устройство доставляет субмиллисекундный фотоотклик и работает до 1550 нм, делая его подходящим для коммуникационных применений.

Результаты и обсуждение

Два задне затворные многослойных MoTe₂ устройства (D1 и D2) были изготовлены на 300 нм SiO₂/p⁺-Si подложках. Оптическая микроскопия, AFM и Рамановская спектроскопия подтвердили качество и толщину MoTe₂ канала. Устройство D1, показанное на Рис. 1, имеет длину канала 10 мкм и 23 нм толщину MoTe₂ пленки. Поперечные сечения контактов источника и стока составляют 6,5 мкм и 4,8 мкм соответственно, обеспечивая выраженную асимметрию (см. Дополнительный файл 1: Рис. S1).

Электрическая характеристика (Рис. 1c) показывает четкое p-тип поведение с отношением вкл/выкл 6,8 × 10³ при 1 В смещении источник-сток. Полевая-эффект подвижность составляет 14,8 см²/Вс. Даже при сниженном смещении (100 мВ) отношение вкл/выкл остается выше 6,0 × 10³ (Дополнительный файл 1: Рис. S3). Устройство демонстрирует минимальный гистерезис и сохраняет стабильность в воздухе.

Под 637 нм освещением (Рис. 2) источник-сток ток увеличивается с лазерной мощностью. Когда затворное напряжение установлено 5 В, транзистор входит в выключенное состояние, но все еще демонстрирует измеримый фототок, свидетельствуя о фотоэлектрическом действии. Открытое напряжение (V_OC) насыщается при 50 мВ, в то время как короткозамкнутый ток (I_SC) растет от 0 до 1,6 нА по мере увеличения мощности освещения от 0 до 4,2 мВ. Важно, что V_OC и I_SC остаются неизменными при смене полярности приложенного смещения, подтверждая, что фототок исходит от внутреннего фотоэлектрического эффекта, а не термоэлектрических или фототермоэлектрических артефактов (Рис. 2d).

SPCM картирование (Рис. 3) при 1200 нм длине волны раскрывает, что сильные пики фототока возникают возле интерфейсов MoTe₂/электрод при условиях короткого замыкания. Пики смещаются к центру канала по мере увеличения заднего затворного напряжения от –5 В до +5 В, указывая на то, что потенциальная ступенька у контактов доминирует в разделении носителей заряда при низком смещении. Когда источник-сток смещение увеличивается (Рис. 4), пик фототока постепенно движется к центру канала, подтверждая, что приложенное смещение в конечном счете перекрывает контакт-индуцированную потенциальную ступеньку.

Эти наблюдения демонстрируют, что асимметричная контактная геометрия создает чистый фототок даже когда устройство электрически выключено. Фотоэлектрический отклик устойчив по устройствам с разной степенью асимметрии (D2 и дополнительные образцы в Дополнительном файле 1: Рис. S8) и сохраняется в широком спектральном диапазоне.

Временно-разрешенные измерения (Рис. 5a) показывают время нарастания 20 мкс и время спада 127 мкс при нулевом смещении источник-сток, в то время как времена увеличиваются до 210 мкс и 302 мкс соответственно при 1 В смещении. Это поведение отражает переход от контакт-доминантного к канал-доминантному фототоковому поколению. Спектральные измерения отклика (Рис. 5b) подтверждают, что устройство чувствительно от 1200 нм до 1550 нм, покрывая стандартное оптическое коммуникационное окно.

Заключение

Мы изготовили воздушно-стабильный, p-тип MoTe₂ фототранзистор с асимметричными контактами источника/стока, демонстрирующий выраженный фотоэлектрический отклик в выключенном состоянии. Сканирующая фотокатегория микроскопия раскрыла, что металл-индуцированные потенциальные ступеньки на интерфейсах MoTe₂/электрод являются ключевым драйвером разделения носителей заряда при низком смещении. Устройство доставляет субмиллисекундный фотоотклик и работает по видимому и ближнему инфракрасному спектру до 1550 нм, подчеркивая его потенциал для низкоэнергопотребляющих фотодетекторов и оптических коммуникационных применений.

Методы/Экспериментальная часть

Источник, сток и затвор электроды паттернили на 300-нм SiO₂/p⁺-Si подложках используя стандартную УФ фотолитографию, следом селективным травлением SiO₂ под затвором и e-beam испарением 5 нм/100 нм Cr/Au. Многослойные MoTe₂ кристаллы механически эксфолировали из 2H-MoTe₂ единичных кристаллов, выращенных химическим транспортным паром (TeCl₄ транспортный агент, 750 °C → 700 °C, 3 дня). MoTe₂ хлопья переносили на паттернированные электроды используя поливиниловый спирт (PVA) как переносную среду, который впоследствии растворяли в воде и промывали изопропиловым спиртом. AFM (SPA-300HV) и Рамановская спектроскопия (514-нм лазер, 100× объектив) характеризовали толщину и кристаллическое качество.

Электрические и фотоотклик измерения выполняли с Agilent B1500A полупроводниковым анализатором и Lakeshore зондовым стендом под 637 нм лазерным освещением (пятно > 200 мкм). Временно-разрешенный фототок записывали с DL1211 предусилителем и Keysight MSOX3024T осциллографом. Пространственно-разрешенный фототок использовали домашнюю SPCM установку с SuperK EXTREME белым-лазером, настраиваемым через SuperK SELECT фильтр, фокусируемым 20× объективом. Фототок извлекали с DL1211 предусилителем и SR830 блокировочным усилителем при 1 кГц частоте чоппинга.

Аббревиатуры

2D

Двумерные

2H-MoTe₂

2H-тип дителлурид молибдена

AFM

Атомно-силовая микроскопия

FET

Полевой транзистор

I_PC

Фототок

I_SC

Короткозамкнутый ток

I_sd

Источник-сток ток

PVA

Поливиниловый спирт

TMDs

Дихалькогениды переходных металлов

V_bg

Задний затворное напряжение

V_OC

Открытое напряжение

V_sd

Источник-сток напряжение

τ_fall

Время спада

τ_rise

Время нарастания