Управление фотоотзывчивостью многослойных MoS₂ фототранзисторов через приложенное смещение

Аннотация

Исследовано изменение фотоотзывчивости многослойных MoS₂ фототранзисторов в зависимости от приложенного смещения. Фотоотклик с усилением достигается за счет фотогенерированных дыр, захваченных в MoS₂, которые привлекают электроны от источника. Таким образом, фотоотзывчивость может управляться затворным или стоковым смещением. Когда затворное смещение ниже порогового напряжения, небольшое количество электронов диффундирует в канал из-за большого барьера между MoS₂ и исходным электродом. В этом режиме увеличение затворного или стокового смещения снижает барьер, и число инжектируемых в канал электронов экспоненциально растет, что приводит к экспоненциальному росту фотоотзывчивости. С другой стороны, если затворное смещение выше порогового, фотоотзывчивость определяется скоростью носителей, а не высотой барьера, так как стоковой ток ограничен дрейфовой скоростью. Следовательно, при увеличении стокового смещения скорость носителей линейно возрастает и насыщается из-за насыщения скорости, и фотоотзывчивость также линейно растет и насыщается.

Введение

В последнее время дихалькогениды переходных металлов (TMD), включая дисульфид молибдена (MoS₂) и диселенид вольфрама (WSe₂), привлекают значительное внимание как материалы канала для наноэлектронных устройств следующего поколения. В частности, тонкопленочные транзисторы на MoS₂ демонстрируют интересные электрические характеристики: высокая подвижность электронов (~200 см²/В·с), высокое отношение тока открытого/закрытого состояния (~10⁸) и низкий субпороговый спад (~70 мВ/дек) в однослойных транзисторах. Кроме того, MoS₂ заинтересован как поглощающий слой в оптоэлектронных устройствах благодаря своей запрещенной зоне (однослойный MoS₂ имеет прямую запрещенную зону 1,8 эВ, объемный — косвенную 1,2 эВ) и большому коэффициенту поглощения (α = 1–1,5×10⁶ см⁻¹ для монослоя и 0,1–0,6×10⁶ см⁻¹ для объемного). Поэтому MoS₂ фототранзисторы обладают низким темновым током в закрытом состоянии и высокой фотоотзывчивостью. Их характеристики улучшались за счет внесения дополнительных слоев (графен, квантовые точки, органические красители, WS₂, ZnO, p-типа MoS₂) или замены гейтового диэлектрика. Однако недостаточно изучено управление усилением и фундаментальное понимание MoS₂ фототранзисторов. При наличии управления усилением можно надежно детектировать широкий диапазон интенсивностей света и увеличивать усиление без дополнительных технологических процессов. В данном контексте исследовано управление (стоковым или затворным) фотоотзывчивостью в многослойных MoS₂ фототранзисторах.

Методы

На рис. 1а показана схема изготовленного многослойного MoS₂ фототранзистора. На сильно n-лепленном кремниевом субстрате выросли 250 нм SiO₂. Многослойные хлопья MoS₂ механически эксфолировали из объемного MoS₂ (Graphene Supermarket, США) и перенесли на SiO₂/Si подложку обычным скотч-тейповым методом. Источниковые и стоковые электроды образовали фотолитографией и осали Ti/Au (5/80 нм) электронно-лучевым испарением. Рис. 1б показывает АФМ-изображение: длина канала 7,31 мкм, ширина 4,74 мкм, толщина ~49 нм (~75 слоев, толщина слоя 0,65 нм).

Вольт-амперные характеристики измеряли двухканальным измерителем Keithley 2614B при комнатной температуре в атмосфере N₂. Отношение ON/OFF ~10⁵. Полевой эффект подвижности оценили в 18,6 см²/В·с при V_DS=3 В по формуле (1). Наблюдалось, что при увеличении стокового смещения пороговое напряжение уменьшается, а субпороговый спад растет, что указывает на их зависимость от стокового смещения. Субпороговый спад вырос с 1,44 В/дек до 3,14 В/дек при увеличении V_DS от 3 до 27 В, что означает снижение барьера между каналом MoS₂ и Au-источником, ослабляя управляемость затвора.

Результаты и обсуждение

Для исследования отзывчивости измеряли передаточные характеристики при различных мощностях освещения лазером 466 нм. Рис. 2а показывает кривые передачи в темноте и под освещением (5, 7, 10 мВт/см²) при V_DS=3 В. С увеличением интенсивности кривая сдвигается влево, что свидетельствует о захвате фотогенерированных дыр в канале, действующих как положительное затворное смещение. Рис. 2б демонстрирует изменение фототока и отзывчивости при росте интенсивности и стокового смещения при постоянном V_GS = −30 В. Фотокток — разность стоковых токов под светом и в темноте, отзывчивость — I_ph/P_light. При увеличении стокового смещения и интенсивности оба параметра растут. Для 466 нм отзывчивость при 100% EQE составляет 0,375 А/Вт; измеренная превышает это при V_DS=15 В и 8 мВт/см², что подтверждает наличие фотоотклика с усилением, зависящего от стокового смещения.

Рис. 3а показывает фотокток при различных V_DS (3–27 В) и постоянной интенсивности (5 мВт/см²) в зависимости от затворного смещения. В выключенном состоянии (V_GS < V_th) фотокток растет экспоненциально, в открытом (V_GS > V_th) — насыщается. Это объясняется энергетическими диаграммами (рис. 3б, в): в OFF большой барьер между MoS₂ и Au-электродами затрудняет инжекцию электронов для компенсации захваченных дыр; с ростом V_GS барьер снижается, электроны легко диффундируют, фотокток экспоненциально растет до порога. В ON состоянии барьер достаточно низок, фотокток насыщается. Также фотокток растет в обоих состояниях при увеличении V_DS, что означает наличие усиления даже в ON состоянии, в отличие от обычных фототранзисторов.

Рис. 4а, б показывают фотокток, отзывчивость и специфическую обнаруживаемость в OFF (V_GS = −30 В) и ON (V_GS = 27 В) состояниях при увеличении V_DS. В OFF фотокток и отзывчивость растут экспоненциально: при V_DS=3 В и 10 мВт/см² — 4,28×10⁻¹⁴ А (0,12 А/Вт), при 27 В — 1,57×10⁻⁸ А (4,53 А/Вт). В ON — линейный рост и насыщение: при 5 мВт/см² и V_DS от 3 до 27 В фотокток (отзывчивость) возрастает в 5 раз с 2,9×10⁻⁶ А (1677 А/Вт) до 1,5×10⁻⁵ А (8667 А/Вт). Обнаруживаемость показывает аналогичную тенденцию. В OFF она выросла с 1,76×10⁸ до 2,87×10⁸ Джонс, в ON — с 6,14×10⁹ до 8,63×10⁹ Джонс. Таким образом, в OFF преобладает диффузионный ток — экспоненциальный рост отзывчивости; в ON — дрейфовый ток — линейный рост и насыщение.

Наблюдаемые особенности объясняются схемой зонных диаграмм (рис. 5). Под светом в канале генерируются пары электрон-дырка; дырки захватываются, нарушая нейтральность, положительно заряженный канал привлекает электроны от источника. Величина поставки электронов определяет усиление. При V_GS < V_th большой барьер (рис. 5а), ток ограничен диффузией через барьер. Увеличение V_DS (рис. 5б) снижает барьер за счет изгиба зон MoS₂, облегчая поставку электронов — экспоненциальный рост отзывчивости. При V_GS > V_th барьер достаточно низок (рис. 5в), ток ограничен дрейфом носителей. Увеличение V_DS (рис. 5г) линейно повышает скорость носителей и отзывчивость до насыщения (~10 В).

Заключение

Изготовлен многослойный MoS₂ фототранзистор и детально исследовано его управление фотоотзывчивостью затворным или стоковым смещением. Изменение отзывчивости классифицируется на два случая: V_GS < V_th (OFF) и V_GS > V_th (ON). В OFF состоянии малое число электронов диффундирует в канал из-за большого барьера. При увеличении V_GS или V_DS барьер снижается, число инжектируемых электронов растет, отзывчивость экспоненциально возрастает. В ON состоянии отзывчивость определяется скоростью носителей, так как ток ограничен дрейфовой скоростью. При росте V_DS скорость носителей линейно растет и насыщается, поэтому отзывчивость также линейно растет и насыщается. Полученное понимание позволяет управлять усилением для расширения области применения MoS₂ фототранзисторов и оптимальной работы в зависимости от задач и условий.