Внутриплоскостной гомопереход WSe₂ через интерфейсный гейтинг: высокопроизводительный фотодетектор

Аннотация

Двумерные дихалькогениды переходных металлов (TMDC) вызывают огромный интерес для наноэлектроники и нанооптоэлектроники благодаря своим уникальным свойствам. В частности, WSe₂, обладающий биполярной проводимостью и заметной запрещенной зоной, является перспективным кандидатом для будущих фотодетекторов. В данной работе сообщается о внутриплоскостном гомопереходе WSe₂, сформированном с помощью интерфейсного гейта подложки. В этой архитектуре изолирующий флакон h-BN используется для того, чтобы только часть флакона WSe₂ контактировала с подложкой напрямую. В результате структуры WSe₂/подложка и WSe₂/h-BN/подложка формируют внутриплоскостной гомопереход. Устройство способно работать как в фотоэлектрическом (PV), так и в фотопроводящем (PC) режимах при разных смещениях. Достигнута отзывчивость 1,07 А/Вт с превосходной детектируемостью более 10¹² джонса и быстрым временем отклика 106 мкс одновременно. По сравнению с ранее сообщаемыми методами химического легирования или электростатического гейтирования с дополнительными смещениями, предлагаемый дизайн обеспечивает более простой и эффективный путь к разработке высокопроизводительных фотодетекторов на основе WSe₂.

Введение

За последнее десятилетие двумерные дихалькогениды переходных металлов (TMDC) привлекли большое внимание благодаря своим особым свойствам. Высокая подвижность в плоскости, настраиваемая запрещенная зона, механическая гибкость, сильное взаимодействие света с веществом и простота обработки делают их очень конкурентоспособными для будущих нанооптоэлектронных устройств. Особенно вольфрамдиселид (WSe₂), биполярный полупроводник с легким управлением типом носителей заряда, открывает замечательные перспективы для применения в фотодетекторах на основе p-n переходов. На данный момент основные стратегии создания переходов исключительно в WSe₂ включают химическое легирование и электростатическое гейтирование. Например, недавно был сообщен внутримолекулярный p-n переход WSe₂. n- и p-области в WSe₂ формировались химическим легированием полиэтиленимином и управлением задним гейтом соответственно. Такой p-n переход демонстрировал отзывчивость 80 мА/Вт и время отклика 200 мкс. Sun и соавт. легировали WSe₂ цетилтриметиламмонийбромидом для образования внутримолекулярного p-n перехода с отзывчивостью 30 А/Вт и временем отклика ~7 мс. Baugher и соавт. продемонстрировали боковой p-n переход WSe₂, полученный электростатическим гейтированием за счет подачи двух гейтовых смещений противоположной полярности. Была получена отзывчивость 210 мА/Вт. Однако из-за неизбежных химических примесей и необходимости множественных настроек смещения эти методы усложняют проектирование и применение переходных устройств. Сборка различных 2D материалов для построения вертикальных гетероструктур Ван-дер-Ваальса, таких как переход WSe₂/MoS₂, стала популярной для разработки новых фотодетекторов. Но в этой конфигурации процесс переноса заряда между различными слоистыми материалами страдает от интерфейсных дефектов, что ограничивает скорость отклика устройства. Для Шотткиевского перехода, образующегося между металлами и 2D материалами, высота барьера Шоттки обычно определяется закреплением уровня Ферми, что неконтролируемо и сильно влияет на отзывчивость устройств. Кроме того, сообщаемые работы не могли одновременно обеспечить и высокую отзывчивость, и высокую скорость отклика.

Здесь мы демонстрируем простой и более эффективный способ реализации внутриплоскостного гомоперехода WSe₂. В архитектуре часть канала WSe₂ находится на подложке Si/SiO₂, а другая часть — на флаконе h-BN. Эта схема часто используется в плавающих/полуплавающих затворных памяти, где h-BN служит диэлектриком затвора. Заряды, накопленные на одной стороне слоя h-BN, могут регулировать проводимость материала на другой стороне. В нашей работе, однако, флакон h-BN как идеальный изолятор используется для устранения эффекта интерфейсного гейтирования на канале WSe₂. Полярность WSe₂, часть которого находится только на подложке Si/SiO₂, может модулироваться интерфейсным гейтом. В результате устройства отлично работают в фотоэлектрическом (PV) режиме при нулевом смещении. Одновременно они проявляют фотопроводящие (PC) характеристики при высоком смещении. Достигнута отзывчивость 1,07 А/Вт с превосходной детектируемостью более 10¹² джонса и быстрым временем отклика 106 мкс одновременно, без сложного дизайна устройства и риска внесения дополнительных химических примесей.

Результаты и обсуждение

На рис. 1a показана схема внутриплоскостного гомоперехода WSe₂. Видно, что часть флакона WSe₂ размещена на флаконе h-BN (WSe₂-h), а другая часть контактирует с подложкой Si/SiO₂ напрямую (WSe₂-S). Функция h-BN заключается в изоляции интерфейсного гейта (IG) подложки Si/SiO₂ от WSe₂-h. Таким образом, формирование гомоперехода между WSe₂-h и WSe₂-S основано преимущественно на модуляции полярности WSe₂-S интерфейсным гейтом. IG возникает за счет зарядов, застрявших на поверхности SiO₂. Это будет подробно обсуждено ниже. На рис. 1b представлен оптический снимок устройства. Четыре электрода (E1-E4, Ti/Au) были изготовлены методом электронно-лучевой литографии, металлизации и lift-off процесса. Толщина материалов охарактеризована атомно-силовой микроскопией (AFM) (см. рис. 1c). Высота флаконов WSe₂ (h-BN) в непосредственном контакте с подложкой Si/SiO₂ (пунктирные белые линии) составила 65 (23) нм (см. рис. 1d, e). Видно, что в профиле высоты между WSe₂ (h-BN) и подложкой Si/SiO₂ наблюдается наклон, а не резкий ступенька. Это может быть связано с остаточным фоторезистом на крае материала. На рис. 1f показаны Рамановские спектры флаконов WSe₂ и h-BN. Для WSe₂ первые порядки Рамановских мод E₂g и A₁g четко различаются около 250 см⁻¹, что указывает на многослойную морфологию WSe₂. Для h-BN наблюдается Рамановский пик моды E₂g около 1370 см⁻¹. Из-за большой запрещенной зоны h-BN Рамановский сигнал слабее по сравнению с WSe₂.

Для изучения влияния подложки на WSe₂ были изучены вольт-амперные характеристики WSe₂-S и WSe₂-h отдельно. Как показано на рис. 2a, обе кривые передачи демонстрируют биполярное поведение, и явная гистерезис наблюдается на кривой WSe₂-S (черная) по сравнению с WSe₂-h (красная). Ток WSe₂-h выше, чем WSe₂-S. Крутой наклон кривой WSe₂-h указывает на относительно большую поперечную проводимость, пропорциональную подвижности носителей. Для WSe₂-S гистерезис обусловлен застреванием зарядов на поверхности SiO₂. Когда Vg менялся от -30 до 0 В, отрицательное Vg насыщало WSe₂ дырочками и вгоняло некоторые из них в SiO₂ (см. рис. 2b). Закрепленные в SiO₂ дырочки генерируют положительный локальный гейт (IG), который в свою очередь модулирует проводимость WSe₂ (слабый эффект обеднения). Поэтому точка зарядной нейтральности Vg появляется около -5 В. Аналогично, когда Vg менялся от 30 до 0 В, положительное Vg насыщало WSe₂ электронами и также вгоняло некоторые электроны в SiO₂ (см. рис. 2c). Закрепленные в SiO₂ электроны генерируют отрицательный IG, модулирующий проводимость WSe₂ (тот же слабый эффект обеднения). Таким образом, точка зарядной нейтральности Vg появляется около 5 В. Для WSe₂-h флакон h-BN препятствует переносу зарядов между WSe₂ и SiO₂ при модуляции Vg. Это причина неявного гистерезиса на кривой WSe₂-h. Следовательно, внутриплоскостной гомопереход может быть сформирован просто за счет использования IG.

На рис. 3a показаны Id-Vd кривые устройства в темноте и под освещением при Vg = 0 В. Источно-стоковое напряжение подается на электроды E2 и E3 (см. вставку). Видно, что токи короткого замыкания (при Vd = 0 В) увеличиваются с ростом мощности падающего излучения, что указывает на фотоэлектрический эффект. Интересно, что кривые также демонстрируют фотопроводящие характеристики при Vd = ±1 В. В первом случае фототоки обусловлены гомопереходом. Как показано на рис. 3b, хотя Vd и Vg установлены в 0 В, несколько уже застрявших в SiO₂ дырочек формируют небольшой положительный IG, модулирующий WSe₂-S. Таким образом, n⁻-типовой WSe₂-S и собственный WSe₂-h (без влияния IG благодаря изоляции флаконом h-BN) составляют внутриплоскостной гомопереход. Под освещением фоторазбуженные пары электроны-дырочки разделяются встроенным полем гомоперехода. Хотя Id-Vd кривые хорошо демонстрируют PV характеристику при нулевом смещении, гомопереход не показывает выпрямляющего поведения, возможно, из-за относительно слабого встроенного поля по сравнению с внешне приложенным Vd. Во втором случае весь флакон WSe₂ как фотопроводник отвечает на световой сигнал при высоком смещении. Фоторазбуженные носители заряда будут выводиться к электродами Vd. Следовательно, фотов отклик на рис. 3a является результатом синергетического эффекта PV и PC режимов. Отзывчивости в зависимости от мощности света для разных Vd суммированы на рис. 3c, задаются формулой R = Iph/(P·A), где Iph — фототок, P — интенсивность мощности, A — эффективная светочувствительная площадь детектора. При расчете эффективная светочувствительная площадь, то есть часть WSe₂ между E2 и E3, составляет 115,75 мкм². Получены отзывчивости 1,07 А/Вт и 2,96 А/Вт для Vd 0 В и 1 В соответственно. Специфическая детектируемость (D*) как важный параметр определяет способность фотодетектора реагировать на слабый световой сигнал. Предполагая, что шумовый ток темнового тока является основным вкладом, D* можно определить как D* = R·A¹ᐟ²/(2·e·Idark)¹ᐟ², где R — отзывчивость, A — эффективная светочувствительная площадь, e — заряд электрона, Idark — темновой ток. Благодаря экстремально низкому Idark достигнуты D* 3,3×10¹² джонс (1 джонс = 1 см·Гц¹ᐟ²/Вт) и 1,78×10¹¹ джонс для Vd 0 В и 1 В соответственно. Более того, изучено время отклика как ключевой параметр качества. На рис. 3d показаны высокое и низкое состояния тока, полученные при Vd = 0 В с модуляцией света. Переходный фотов отклик демонстрирует высокостабильные и воспроизводимые характеристики. На рис. 3e показан один цикл модуляции временного отклика. Время нарастания (tr), определенное как время, необходимое для роста тока от 10% Ipeak до 90% Ipeak, составило ~106 мкс, а время спада (tf), определенное аналогично, — ~91 мкс. На рис. S1 показан временной отклик при Vd = 1 В. tr и tf составили ~105 мкс и ~101 мкс соответственно. Таблица 1 суммирует сообщенные гомопереходы WSe₂, сформированные разными методами. Очевидно, что наше устройство обладает высокой D*, сравнимой R и относительно высокой скоростью отклика. Кроме того, на рис. S2 представлены фотов отклики трех других устройств. Четкие PV и PC токи наблюдаются при нулевом и высоком смещении соответственно. Детектируемость всех гомопереходов WSe₂ выше 10¹² джонс, а время отклика немного более 100 мкс, что доказывает высокую повторяемость наших устройств.

На рис. 4a и 4b представлены Id-Vd характеристики WSe₂-h и WSe₂-S раздельно. Кривые обоих участков демонстрируют PC свойства, и фhotoток при нулевом смещении отсутствует. Фактически, структура Ti/WSe₂/Ti должна формировать металл/полупроводник/металл с двумя Шотткиевскими переходами противоположного встроенного поля. Поэтому Id-Vd кривые должны проходить через нуль и показывать PC поведение. В нашем случае, из-за разных работ выхода WSe₂-h и WSe₂-S, образуются два асимметричных Шотткиевских контакта: E2/WSe₂-S и E3/WSe₂-h, как показано на рис. 4c. При нулевом смещении направление чистых фhotoтоков от Шотткиевских переходов противоположно направлению в гомопереходе, а экспериментальный результат на рис. 3a согласуется с последним. Следовательно, гомопереход, образованный между WSe₂-h и WSe₂-S, является причиной фhotoтоков короткого замыкания.

Для дополнительного подтверждения того, что фотов отклик при нулевом смещении обусловлен гомопереходом, были изучены выходные характеристики путем измерения Id-Vd кривых устройства с приложением источнно-стокового напряжения к электродам E1 и E4. Как показано на рис. S3a, кривые, как и в случае рис. 3a, также демонстрируют PV и PC характеристики. Как обсуждалось выше, для первого фhotoтоки обусловлены встроенным полем внутриплоскостного гомоперехода между WSe₂-S и WSe₂-h. Для второго — сбором фоторазбуженных носителей внешне приложенным Vd. Отзывчивости в зависимости от мощности света для разных Vd суммированы на рис. S3b. Отзывчивости (детектируемости) 0,51 А/Вт (2,21×10¹² джонс) и 3,55 А/Вт (5,54×10¹² джонс) получены для Vd 0 В и 1 В соответственно. При расчете эффективная светочувствительная площадь, то есть часть WSe₂ между E1 и E4, составляет 519,4 мкм². Время отклика при нулевом смещении показано на рис. S3c и S3d: время нарастания 289 мкс, время спада 281 мкс. Для Vd = 1 В (рис. S3e, S3f) время нарастания и спада составляют 278 мкс и 250 мкс соответственно. Скорость отклика немного ниже, чем при измерениях между E2 и E3, потому что более длинный проводящий канал увеличивает дистанцию переноса фотоносителей и вероятность их взаимодействия с дефектами.

Заключение

В заключении, мы продемонстрировали внутриплоскостной гомопереход WSe₂ путем электрической настройки части флакона WSe₂ через интерфейсный гейт. По сравнению с существующими подходами, такими как химическое легирование и электростатическое гейтирование с использованием двух гейтовых смещений, этот дизайн дает более простой путь к реализации гомоперехода WSe₂. Под освещением устройство генерирует четкие фhotoтоки короткого замыкания с детектируемостью 3,3×10¹² джонс. При высоком смещении устройство проявляет фотопроводящие характеристики и дает фhotoтоки с детектируемостью 1,78×10¹¹ джонс. Одновременно достигнуто время отклика 106 мкс. Наше исследование предоставляет эффективный и надежный путь для разработки высокопроизводительных фотодетекторов на основе WSe₂.

Методы

И WSe₂, и h-BN в объемном виде были приобретены у Shanghai Onway Technology Co., Ltd. Сначала флаконы h-BN и WSe₂ механически эксфолировали на подложку p⁺-Si/SiO₂ (300 нм) и на слой полидиметилсилоксана (PDMS) соответственно. Затем с помощью микроманипулятора флакон WSe₂, прикрепленный к PDMS, переносили на целевой флакон h-BN через микроскоп для позиционирования. Часть флакона WSe₂ перекрывала флакон h-BN. Наконец, флакон WSe₂ отделяли от PDMS путем нагрева подложки. Электроды (Ti/Au) изготавливались электронно-лучевой литографией, металлизацией и lift-off процессом. Измерения фотов отклика проводились с помощью анализатора полупроводников Agilent B1500 и лазерного диода с длиной волны 637 нм.