индуцированный интерфейсом гомопереход WSe2 в плоскости для высокопроизводительного фотодетектирования

Введение

В последнее десятилетие 2D дихалькогениды переходных металлов (TMDC) привлекли большое внимание из-за их особых свойств. Высокая подвижность в плоскости, настраиваемая ширина запрещенной зоны, механическая гибкость, сильное взаимодействие легкой материи и простота обработки делают их очень конкурентоспособными для будущих устройств нанооптоэлектроники [1,2,3,4,5,6,7,8,9, 10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]. В частности, диселенид вольфрама (WSe ₂ ), биполярный полупроводник с простыми манипуляциями с носителями, открывает широкие возможности для применения в фотодетекторах на переходах [21,22,23,24,25,26,27,28]. Пока что основные стратегии построения развязки исключительно в WSe ₂ включают химическое легирование и электростатический строб. Например, недавно внутримолекулярный WSe ₂ Сообщалось о p-n переходе [26]. Область n и область p внутри WSe ₂ были сформированы химическим легированием полиэтиленимином и контролем обратного затвора, соответственно. P-n-переход показал чувствительность 80 мА Вт ^-1 . и время отклика 200 мкс. Sun et al. легированный WSe ₂ с использованием бромида цетилтриметиламмония для образования внутримолекулярного p-n-перехода, в котором чувствительность и время отклика составляют 30 А Вт ^-1 и ~ 7 мс соответственно [27]. Baugher et al. продемонстрировать боковой WSe ₂ p-n-переход достигается за счет электростатического стробирования посредством приложения двух смещений затвора с противоположной полярностью. Чувствительность 210 мА Вт ⁻¹ был получен [28]. Однако из-за неизбежных химических примесей и необходимых настроек множественного смещения эти методы делают изготовление и применение устройств на основе переходов сложными и трудными. Сборка различных 2D-материалов для создания вертикальных гетероструктур Ван-дер-Ваальса, таких как WSe ₂ / MoS ₂ переход [29] стал популярным при разработке новых фотоприемников. Но в этой конфигурации процесс транспортировки носителей между различными слоистыми материалами страдает из-за дефектов интерфейса, которые ограничивают скорость отклика устройства. Для перехода Шоттки, образованного между металлами и 2D-материалами, высота барьера Шоттки обычно определяется пиннингом уровня Ферми, который неконтролируем и имеет большое влияние на чувствительность устройств. Кроме того, представленные работы не могут обладать одновременно высокой скоростью отклика и высокой скоростью отклика.

Здесь мы демонстрируем простой и более эффективный способ реализовать плоскостной WSe ₂ гомопереход. В архитектуре часть WSe ₂ канал находится на Si / SiO ₂ субстрат, а другая часть находится на хлопье h-BN. Эта схема является общей для запоминающих устройств с плавающим / полуплавающим затвором, в которых h-BN используется в качестве диэлектрического слоя затвора [30, 31]. Заряды, хранящиеся на одной стороне слоя h-BN, могут регулировать проводимость материала на другой стороне. В нашей работе, однако, чешуйка h-BN в качестве идеального изолятора используется для устранения эффекта стробирования интерфейса на WSe ₂ канал. Полярность WSe ₂ , которая находится только на Si / SiO ₂ подложка, может модулироваться интерфейсным затвором. В результате устройства хорошо работают в фотоэлектрическом (PV) режиме при нулевом смещении. Между тем, он демонстрирует характеристики фотопроводимости (ФП) при высоком смещении. Чувствительность 1,07 А Вт ⁻¹ с превосходной обнаружительной способностью более 10 ¹² Джонс и быстрое время отклика 106 мкс одновременно без сложной конструкции устройства и риска внесения дополнительных химических примесей.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1а схематически показан плоский WSe ₂ . гомопереход. Видно, что часть WSe ₂ хлопья помещают на хлопья h-BN (WSe ₂ -h), а другая часть контактирует с Si / SiO ₂ субстрат напрямую (WSe ₂ -S). Функция h-BN состоит в том, чтобы изолировать интерфейсный затвор (IG) Si / SiO ₂ подложка на WSe ₂ -час. Итак, образование гомоперехода между WSe ₂ -h и WSe ₂ -S в основном полагается на IG, модулирующий полярность WSe ₂ -S. IG создается захваченными зарядами на SiO ₂ поверхность. Подробнее об этом будет сказано ниже. На рис. 1б представлена ​​оптическая картина устройства. Четыре электрода (E1-E4, Ti / Au) были приготовлены электронно-лучевой литографией, металлизацией и процессом отрыва. Толщина материалов определяется с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) (см. Рис. 1c). Высота WSe ₂ (h-BN) чешуйки в прямом контакте с Si / SiO ₂ длина подложки (белые пунктирные линии) составляла 65 (23) нм (см. рис. 1d, e). Видно, что в профиле высоты между WSe ₂ вместо резкого скачка имеется уклон. (h-BN) и Si / SiO ₂ субстрат. Это может быть связано с остаточным фоторезистом на краю материала. На рисунке 1f показаны спектры комбинационного рассеяния света WSe ₂ . и хлопья h-BN. Для WSe ₂ , первый порядок E _2g и A _1g Рамановские моды четко выделяются ~ 250 см ⁻¹ , предполагая, что WSe ₂ имеет многослойную морфологию [32, 33]. Для h-BN пик комбинационного рассеяния E _2g режим на ~ 1370 см ⁻¹ наблюдается. Из-за большой ширины запрещенной зоны h-BN сигнал комбинационного рассеяния слаб по сравнению с таковым в WSe ₂ [34].

Схема плоского WSe ₂ гомопереход. а Состав устройства. б Оптическое изображение устройства. Часть WSe ₂ контактирует с чешуей h-BN, а другая часть контактирует с Si / SiO ₂ субстрат. c АСМ-изображение устройства. Белые пунктирные линии указывают позиции, в которых толщина h-BN (слева) и WSe ₂ (справа) извлекаются. Для канала между E1 и E2 средняя ширина (длина) составляет ~ 19,15 (~ 6,33) мкм. Для канала между E2 и E3 средняя ширина (длина) составляет ~ 23,15 (~ 5) мкм. Для канала между E3 и E4 средняя ширина (длина) составляет ~ 22 (~ 5,38) мкм. г , e Высота профилей WSe ₂ и хлопья h-BN. е Рамановские спектры WSe ₂ и чешуйки h-BN при возбуждении лазером 532 нм

Чтобы изучить влияние подложки на WSe ₂ , передаточные характеристики WSe ₂ -S и WSe ₂ -h изучались отдельно. Как показано на рис. 2а, обе кривые переноса демонстрируют биполярное поведение, и на кривой WSe ₂ можно наблюдать очевидный гистерезис. -S (черный) по сравнению с WSe ₂ -h (красный). Течение WSe ₂ -h выше, чем у WSe ₂ -S. Крутой наклон кривой WSe ₂ -h указывает на относительно большую крутизну, которая пропорциональна подвижности несущей. Для WSe ₂ -S, гистерезис связан с захватом заряда на SiO ₂ поверхность [35,36,37,38]. Когда V _g колебалась от -30 до 0 В, отрицательный V _g делает WSe ₂ заполнен отверстиями и проделывает несколько отверстий в SiO ₂ (см. рис. 2б). Захваченные дыры в SiO ₂ генерировать положительный локальный вентиль, то есть IG, для модуляции WSe ₂ взамен проводимости (слабый эффект истощения). Следовательно, точка зарядовой нейтральности V _g появляется около - 5 В. Аналогично, когда V _g была развернута от 30 до 0 В, положительный V _g делает WSe ₂ населен электронами, а также загоняет часть электронов в SiO ₂ (см. рис. 2в). Захваченные электроны в SiO ₂ генерировать отрицательный IG для модуляции WSe ₂ взамен проводимости (тот же слабый эффект истощения). Итак, точка нейтральности заряда V _g появляется около 5 В. Для WSe ₂ -h, хлопья h-BN ингибируют перенос носителя между WSe ₂ и SiO ₂ под V _g модуляция. Это причина неочевидного гистерезиса в WSe ₂ -h кривая. Следовательно, гомопереход в плоскости может быть сформирован, просто используя IG.

Передаточные характеристики. а Я _d - V _g кривые WSe ₂ -S (черная линия) и WSe ₂ -h (красная линия). Направление развертки V _g обозначен стрелками. б , c Физическое объяснение явления гистерезиса. Стрелки указывают направление электрического поля, индуцированного V . _g . Красные и синие сферы представляют собой дырки и электроны соответственно

На рисунке 3а показан I _d - V _d кривые устройства в темноте и при освещении при V _g =0 В. Напряжение исток-сток приложено к электродам E2 и E3 (см. Вставку). Видно, что токи короткого замыкания (при V _d =0 В) увеличиваются с падающей мощностью, что указывает на эффект PV. Интересно, что на кривых также представлены характеристики ПК при V _d =± 1 В. Для первых фототоки связаны с гомопереходом. Как показано на рис. 3b, хотя V _d и V _g были установлены на 0 В, несколько уже захваченных дыр в SiO ₂ образуют небольшой положительный IG для модуляции WSe ₂ -S. Итак, n ^- -тип WSe ₂ -S и внутренний WSe ₂ -h (без эффекта IG из-за изоляции хлопьями h-BN) составляют гомопереход в плоскости. При освещении фотовозбужденные электронно-дырочные пары будут разделены встроенным полем гомоперехода. Хотя я _d - V _d кривые хорошо показывают характеристику PV при нулевом смещении, гомопереход не проявляет выпрямляющего поведения, возможно, из-за относительно слабого встроенного поля по сравнению с приложенным извне V _d . Для последнего весь WSe ₂ чешуйка как фотопроводник реагирует на световой сигнал при большом смещении. Фотовозбужденные носители будут подведены к электродам с помощью V _d . Следовательно, фотоотклик на рис. 3а является результатом синергетического эффекта режимов PV и PC. Чувствительность как функция силы света для разных V _d суммированы на рис. 3c, обозначены как R = Я _ph / PA , где I _ph фототок, P - энергоемкость, а A - эффективная светочувствительная площадь детектора [39, 40]. Во время расчета эффективная светочувствительная площадь, т.е. WSe ₂ часть между E2 и E3 составляет 115,75 мкм ² . Чувствительность 1,07 A Вт ⁻¹ и 2,96 А Вт ⁻¹ получены для V _d 0 В и 1 В соответственно. Удельная обнаруживаемость ( D ^* ) как важный параметр определяет способность фотоприемника реагировать на слабый световой сигнал. Предполагая, что дробовой шум от темнового тока является основным вкладом, D ^* можно определить как D ^∗ = RA ^1/2 / (2 eI _темный ) ^1/2 , где R это отзывчивость, A эффективная светочувствительная площадь, e - заряд электрона, а I _темный - темновой ток [41, 42]. Получая выгоду от чрезвычайно низкого I _темный , D ^* из 3,3 × 10 ¹² Джонс (1 джонс =1 см Гц ^1/2 W ^-1 ) и 1,78 × 10 ¹¹ Джонса достигаются за V _d 0 В и 1 В соответственно. Кроме того, было изучено время отклика как ключевой показатель качества. Как показано на рис. 3d, состояние высокого и низкого тока достигается при V _d =0 В были получены с модуляцией света. Переходный фотоотклик демонстрирует очень стабильные и воспроизводимые характеристики. На рисунке 3e показан один цикл модуляции временного отклика. Время нарастания ( t _r ), определяемое как время, необходимое для увеличения тока с 10% I _пик до 90% I _пик , оказалось ~ 106 мкс, а время спада ( t _f ), определяемая аналогично, оказалась равной ~ 91 мкс. На рисунке S1 показан временной отклик устройства, полученный при V . _d =1 В. t _r и t _f оказались равными ~ 105 мкс и ~ 101 мкс соответственно. В таблице 1 приведены полученные WSe ₂ гомопереход, образованный разными способами. Очевидно, устройство в нашей работе имеет высокий D ^* , сопоставимый R , и относительно быстрая скорость отклика. Кроме того, на рисунке S2 представлены характеристики фотоотклика трех других устройств. Отчетливые токи PV и PC можно наблюдать при нулевом и высоком смещении соответственно. Обнаруживаемость всех WSe ₂ гомосоединений больше 10 ¹² Джонс, а время отклика составляет немногим более 100 мкс, что доказывает, что наши устройства могут очень хорошо воспроизводить высокопроизводительное фотодетектирование.

Характеристики фотоотклика гомоперехода между E2 и E3. а Ток стока в зависимости от напряжения исток-сток, приложенного к электродам E2 и E3 (см. Вставку), с переменной силой света (637 нм). б Механизм образования гомоперехода при V _g =0 В и В _d =0 В. c Отзывчивость как функция силы света. г , e Временной отклик устройства, полученного при V _d =0 В для освещения 637 нм. Осциллограф использовался для отслеживания зависимости тока от времени

На рисунках 4a и b представлены I _d - V _d характеристики WSe ₂ -h и WSe ₂ -S отдельно. Кривые обоих WSe ₂ -h и WSe ₂ -S проявляет свойство ПК, и нет фототока при нулевом смещении. Фактически, Ti / WSe ₂ Предполагается, что / Ti образует структуру металл / полупроводник / металл, которая содержит два перехода Шоттки с противоположным встроенным полем. Итак, Я _d - V _d кривые должны пересекать нулевую точку и демонстрировать поведение ПК. В нашем случае из-за разных рабочих функций WSe ₂ -h и WSe ₂ -S, есть два асимметричных контакта Шоттки, т.е. E2 / WSe ₂ -S и E3 / WSe ₂ -h, как показано на рис. 4c. При нулевом смещении направление суммарных фототоков, исходящих от переходов Шоттки, противоположно таковому в гомопереходе, и результат эксперимента, показанный на рис. 3а, согласуется с последним. Следовательно, гомопереход между WSe ₂ -h и WSe ₂ -S - причина фототоков короткого замыкания.

Влияние перехода Шоттки на фотоотклик. а Я _d - V _d кривые WSe ₂ -h с напряжением исток-сток, приложенным к электродам E3 и E4 (см. вставку) при световом освещении (637 нм). б Я _d - V _d кривые WSe ₂ -S с напряжением исток-сток, приложенным к электродам E1 и E2 (см. Вставку) при световом освещении (637 нм). c Принципиальная зонная диаграмма гомоперехода с асимметричными контактами Шоттки, т.е. E2 / WSe ₂ -S и E3 / WSe ₂ -h, при нулевом смещении

Чтобы дополнительно продемонстрировать, что фотоотклик при нулевом смещении объясняется гомопереходом, выходные свойства были исследованы путем измерения I _d - V _d кривые устройства при приложении напряжения исток-сток на электродах E1 и E4. Как показано на рис. S3a, кривые, как и на рис. 3a, также показывают характеристики PV и PC. Как обсуждалось выше, для первого фототоки приписываются встроенному полю плоского гомоперехода, образованного между WSe ₂ -S и WSe ₂ -час. Для последнего фототоки относятся к сбору фотовозбужденных носителей за счет приложенного извне V _d . Чувствительность как функция силы света для разных V _d приведены на Рисунке S3b. Чувствительность (детективность) 0,51 A Вт ⁻¹ (2,21 × 10 ¹² Джонс) и 3,55 А Вт ⁻¹ (5,54 × 10 ¹² jones) получены для V _d 0 В и 1 В соответственно. Во время расчета эффективная светочувствительная площадь, т.е. WSe ₂ часть между E1 и E4 составляет 519,4 мкм ² . Время отклика, измеренное при нулевом смещении, показано на рис. S3c и 3d, где время нарастания составляет 289 мкс, а время спада - 281 мкс. Для V _d при напряжении 1 В (рис. S3e и 3f) время нарастания и спада составляет 278 мкс и 250 мкс соответственно. Скорость отклика немного ниже, чем измеренная между электродами E2 и E3, потому что относительно длинный проводящий канал увеличивает расстояние передачи фотоносителя и вероятность взаимодействия между фотоносителями и дефектами.

Заключение

Таким образом, мы продемонстрировали самолет WSe ₂ гомопереход путем электрической настройки частичного WSe ₂ прослоиться через интерфейсный затвор. По сравнению с существующими подходами, такими как химическое легирование и электростатическое стробирование, за счет использования преимущества двух смещений затвора, эта конструкция обеспечивает более простой способ реализации WSe ₂ гомопереход. При световом освещении устройство создает отчетливые фототоки короткого замыкания с обнаруживаемой способностью 3,3 × 10 ¹² Джонс. При высоком смещении устройство обладает характеристиками фотопроводимости и генерирует фототоки с обнаруживаемой способностью 1,78 × 10 ¹¹ . Джонс. Одновременно достигается время отклика до 106 мкс. Наше исследование обеспечивает эффективный и надежный способ разработки высокопроизводительных WSe ₂ фотоприемники на основе.

Методы

Оба WSe ₂ и сыпучие материалы h-BN были приобретены у Shanghai Onway Technology Co., Ltd. Сначала были h-BN и WSe ₂ хлопья механически отслаивались на p ⁺ -Si / SiO ₂ (300 нм) субстрат и слой полидиметилсилоксана (PDMS) соответственно. Затем с помощью микроманипулятора поместили WSe ₂ хлопья, которые прикреплены к PDMS, на хлопье-мишени h-BN через микроскоп, чтобы определить положение. Часть WSe ₂ отщеп перекрывает отщеп h-BN. Наконец, WSe ₂ хлопья высвобождались из PDMS посредством нагревания подложки. Электроды (Ti / Au) были приготовлены с помощью электронно-лучевой литографии, металлизации и процесса отрыва. Измерения фотоотклика проводились с использованием полупроводникового анализатора параметров Agilent B1500 и лазерного диода с длиной волны 637 нм.

Доступность данных и материалов

Данные, подтверждающие выводы этой работы, доступны у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Сокращения

TMDC:

Дихалькогениды переходных металлов

PV:

Фотоэлектрические

ПК:

Фотопроводящий

AFM:

Атомно-силовой микроскоп

IG:

Интерфейсный шлюз

PDMS:

Полидиметилсилоксан