Высокопроизводительные фото-детекторы на основе латеральных монослойных гетероструктур MoS₂/WS₂

Аннотация

Монослойные дихалкогениды переходных металлов (TMD) показывают перспективный потенциал для оптоэлектроники следующего поколения благодаря отличным способностям к захвату света и фото-детекции. Фото-детекторы, как важные компоненты сенсирования, изображения и коммуникационных систем, способны воспринимать и преобразовывать оптические сигналы в электрические. Здесь большие площади и высокое качество латеральные монослойные гетероструктуры MoS₂/WS₂ синтезированы одношаговым методом жидкофазного химического осаждения из паровой фазы (CVD). Систематические измерения характеристик подтвердили хорошую однородность и резкие интерфейсы канальных материалов. В результате фото-детекторы, усиленные фото-гейтинг эффектом, демонстрируют конкурентоспособную производительность: ответственность ~567,6 А/В и детектируемость ~7,17×10¹¹ Джонс. Кроме того, 1/f шум, полученный из спектра мощности тока, не способствует развитию фото-детекторов, что считается происходящим от захвата/дезактивации зарядовых носителей. Следовательно, данная работа может способствовать эффективным оптоэлектронным устройствам на основе латеральных монослойных TMD гетероструктур.

Введение

Учитывая почти полутриллионный доллар рынка полупроводниковых чипов, двухмерные (2D) материалы в настоящее время являются одними из наиболее реалистичных и перспективных кандидатов для продолжения закона Мура [1-5]. Как представитель 2D семейства, дихалкогениды переходных металлов (TMD) интенсивно изучаются благодаря уникальным оптоэлектронным свойствам и потенциальным приложениям [6-12] в фото-детекции и светоперадающих устройствах [13, 14]. Настраиваемая запрещенная зона, высокая подвижность носителей, высокое оптическое поглощение и атомарно тонкая толщина делают TMD подходящими канальными материалами для фото-детекторов, играя ключевую роль в оптоэлектронных или электронных устройствах [15, 16]. Хотя кристаллические дефекты в TMD, вызывающие эффект захвата носителей, могут приводить к высокой фоточувствительности, они неизбежно ведут к низкой скорости отклика [17]. Кроме того, некоторые исследователи предлагают плазмонное усиление для повышения ограниченного использования света 2D материалами [18-20]. Комбинируя соответствующие преимущества и показывая уникальный электронный транспорт на стыке, TMD гетероструктуры либо латерального сшивания, либо вертикального стекирования представлены [21]. Такие гетероструктуры могут адаптировать внутренние электронные свойства и улучшить оптическое поглощение [22], демонстрируя новые и проектируемые особенности [13, 23]. Например, встроенное электрическое поле [24] или разность энергетических уровней [25], индуцированные TMD гетероструктурами, должны ускорять разделение фотоножносящих, подавлять их рекомбинацию [17, 27] и снижать темновой ток [28], что благоприятствует высокопроизводительной фото-детекции. Кроме того, группа Wang [29] подтвердила подавленную электронно-дырочную (e-h) рекомбинацию в латеральных гетероструктурах. Как сообщалось ранее, латеральные гетероструктуры показывали более высокую подвижность носителей [30], тогда как вертикальные обычно увеличивали фотоактивную площадь [27] и/или усиливали ток на единицу площади [31]. Более того, in-plane интерфейсы латеральных гетероструктур показывали более сильную интенсивность фотосвечения (PL), чем обе стороны [14]. Однако подавленная PL эмиссия могла наблюдаться в вертикальном гетероинтерфейсе из-за сниженного прямого радиативного рекомбинирования [32]. Дополнительно, как латеральные, так и вертикальные TMD гетероструктуры позволяют создавать новые экситонные переходы [14].

С точки зрения качества кристаллической решетки, MoX₂/WX₂ (X = S, Se, Te) латеральные гетероструктуры могут редко индуцировать структурные дефекты благодаря их схожей восковидной [33, 34] конфигурации и параметрам решетки [34]. Кроме того, такие гетероструктуры обычно формируют тип-II выравнивание зон, желательное для высокоэффективной фото-детекции [32, 34, 35]. По предшествующей работе, латеральная монослойная MoS₂/WS₂ гетероструктура предпочитает демонстрировать тип-II выравнивание с максимумом валентной зоны (VBM) в WS₂ и минимумом проводимой зоны (CBM) в MoS₂ [32, 34]. Например, группа Wu дополнительно сообщила, что VBM и CBM MoS₂ на 0,39 эВ и 0,35 эВ ниже WS₂ соответственно [34]. Более того, зонный сдвиг между MoS₂ и WS₂, определяющий выравнивание зон, может быть оценен через их различные d-орбитальные позиции Mo и W [34]. Вертикальные гетероструктуры можно приготовить механическим переносом и стекированием, тогда как латеральные — только методами роста [14]. Кроме того, вертикальные гетероструктуры, как сообщалось ранее, не могут быть точно контролированы и легко загрязняются на интерфейсах между слоями [33]. К счастью, латеральные гетероструктуры можно синтезировать одношаговым методом для снижения загрязнений [28]. На данный момент рост больших площадей и высокого качества латеральных монослойных TMD гетероструктур остается большой проблемой [36]. Поэтому высококачественные и большие по площади латеральные TMD гетероструктуры значимы и желательны для разработки высокопроизводительных фото-детекторов.

Здесь латеральные монослойные MoS₂/WS₂ гетероструктуры с резкими интерфейсами и хорошей однородностью через одношаговый жидкофазный CVD метод приготовлены и фото-детекторы изготовлены на базе этих гетероструктур. Представленные фото-детекторы могут обеспечивать высокую ответственность и детектируемость 567,6 А/В и 7,17×10¹¹ Джонс соответственно. Данная работа демонстрирует, что латеральные монослойные MoS₂/WS₂ гетероструктуры могут служить квалифицированными кандидатами для оптоэлектронных приложений следующего поколения.

Методы

Синтез гетероструктур

0,05 г вольфрамо натрия, 0,5 г аммоний молибдата и 0,12 г NaOH (или KOH) растворили в 10 мл деионизированной (DI) воды для получения предварительного раствора. Подложки для роста (сапфир) обрабатывали пираньевым раствором для улучшения поверхностной гидрофильности, затем предварительный раствор равномерно наносили спин-коутингом на чистые сапфировые подложки. После этого подложка с предшественником и сера помещали в нагревательный центр и вверх по течению кварцевой трубки соответственно. Нагревательный центр разогревали до 700 °C за 40 мин и выдерживали 10 мин для роста MoS₂-OH бислоев (монослой MoS₂ и одиночный слой OH⁻ ионов, прикрепленных). Наконец, переносной газ меняли с Ar на Ar/H₂ (5% H₂), и нагревательный центр нагревали до 780 °C за 10 мин и выдерживали 10 мин для роста WS₂ вдоль краев MoS₂-OH бислоев, формируя латеральные MoS₂/WS₂ гетероструктуры. Более детальные сведения о синтезе см. в предыдущей работе [30].

Процесс переноса

Использовали полистирол (PS)-ассистированный метод для переноса WS₂/MoS₂ латеральных гетероструктур с сапфира на SiO₂/Si подложки. Раствор PS (9 г PS растворено в 100 мл толуола) сначала наносили спин-коутингом на гетероструктуры при 3500 об/мин 60 с, затем образец выпекали при 90 °C 10 мин для удаления толуола. После этого WS₂/MoS₂-PS пленку получали каплей воды, и плавающую пленку поднимали чистой SiO₂/Si подложкой. Образец WS₂/MoS₂-PS-SiO₂/Si выпекали при 80 °C 1 ч и затем при 150 °C 30 мин для распределения полимера и устранения возможных морщин. Наконец, PS пленку удаляли многократным промыванием толуолом для получения WS₂/MoS₂-SiO₂/Si образцов.

Изготовление устройств

Стандартная электронно-лучевая литография (EBL) использовалась для определения маркеров и паттернов электродов на выращенных латеральных монослойных MoS₂/WS₂ гетероструктурах. Ti/Au электроды (10 нм/100 нм) осаждали на канале и лифт-офф в ацетоне. Устройство термически отжигали при 400 °C 2 ч в вакууме и быстро охлаждали до комнатной температуры.

Характеризация материалов

Оптические изображения захватывали микроскопом OLYMPUS (LV100ND). Рамановская, PL и АФМ картировки измерялись Раман-АФМ конфокальным спектрометром (Witec, alpha300 RA) с лазером 532 нм.

Характеризация устройств

Оптоэлектронные свойства фото-детекторов измеряли зондовым столом SemiProbe и полупроводниковым параметрическим анализатором (Keithley 4200) и Platform Design Automation (PDA, FS-Pro). Лазеры разных длин волн как источники света использовались для измерения фотоотклика. Разные плотности лазерной мощности определялись иррадиометром.

Результаты и обсуждение

Рис. 1a показывает оптическое изображение CVD-выращенной латеральной монослойной гетероструктуры, иллюстрированное оптическим контрастом. Соответствующие Рамановские спектры, полученные из разных позиций, отмеченных 1 и 2 на Рис. 1a, подтверждают конфигурацию внутреннего MoS₂ (385,5 см⁻¹ и 405,3 см⁻¹) и внешнего WS₂ (351,5 см⁻¹ и 416,5 см⁻¹) на Рис. 1b [30]. Высокое кристаллическое качество MoS₂ и WS₂ подразумевается, так как пики оксидации не наблюдаются в соответствующих Рамановских спектрах [37]. Особенно, собственные пики MoS₂ и WS₂ оба наблюдались в сшитом интерфейсе, отмеченном 3 на Рис. 1a, указывая на формирование двух материалов на интерфейсе. Кроме того, разница частот между E₂g модой и A₁g модой MoS₂ составляет 19,8 см⁻¹, указывая на монослой [30, 38, 39]. Для WS₂ отношение интенсивности пика продольной акустической моды (2LA) [40] при 352 см⁻¹ к A₁g моде, I_2LA/I_A1g, более точно верифицирует толщину, чем разница частот [14]. Отношение оценивается ~2, в согласии с монослойным WS₂, измеренным 532 нм лазером [14]. Наблюдается выраженный красный сдвиг E₂g моды (in-plane вибрация), обусловленный эффектом легирования [41] в латеральных гетероструктурах. Подобное поведение также наблюдалось в вертикальных гетероструктурах, вызванное диэлектрическим скринированием и межслойным связыванием [42]. Более того, Рамановская карта (Рис. 1c) с синей областью MoS₂ и красной областью WS₂ указывает на бесшовную высококачественную in-plane гетероструктуру [13, 43]. Рис. 1d, e также демонстрируют конфигурацию с MoS₂ внутри и WS₂ снаружи по PL картировке [13]. Несколько точек с усиленными PL интенсивностями в области WS₂ могут быть объяснены негомогенным распределением носителей, вызванным примесями или вакансиями [14]. Кроме того, более сильные PL эмиссии на интерфейсе, чем в области MoS₂, могут интерпретироваться как негомогенное распределение носителей или более высокая скорость фотоиндуцированной рекомбинации носителей на краях [14]. И Рамановская, и PL картировка указывают на резкий и хорошо сшитый интерфейс между MoS₂ и WS₂ [14, 44]. Толщина и поверхностная морфология измерялись АФМ в режиме траппинга. Замечено, что немного гранулярных границ, приводящих к рассеянию носителей [45], наблюдаются внутри материала, но края указывают на лучшую электрическую транспортную производительность (Рис. 1f) [14, 46]. Толщина WS₂ снаружи ~0,7 нм (дно) согласуется с ранее сообщаемым CVD-монослойным WS₂ [47], разница высот между WS₂ и MoS₂ ~0,25 нм (верх), указывая на монослойный MoS₂ [47]. Общие результаты характеристики материалов демонстрируют латеральную монослойную MoS₂/WS₂ гетероструктуру с резким интерфейсом.

Результаты характеристики материалов выращенной латеральной монослойной MoS₂/WS₂ гетероструктуры. (a) Оптическое изображение латеральной монослойной MoS₂/WS₂ гетероструктуры. (b) Рамановский спектр с мест, отмеченных 1, 2, 3 в (a). Рамановская карта (c), PL карты области MoS₂ (d) и WS₂ (e) из красной обрамленной области в (a). Соответствующая ложно-цветная шкала внизу (c)–(e). (f) Соответствующий поперечный профиль высоты синей (между WS₂ и MoS₂) и белой (между WS₂ и подложкой) линий, отмеченных на АФМ морфологическом изображении

Фото-детекторы изготавливались EBL системой на базе латеральной MoS₂/WS₂ гетероструктуры. Рис. 2a показывает схематную диаграмму (верх) латеральной гетероструктуры устройства и соответствующее тип-II выравнивание зон (низ). Соответственно, электроны и дыры переносятся и конфинируются в областях MoS₂ и WS₂ через интерфейс соответственно, реализуя фотоэлектрическое преобразование [13, 21, 24, 48]. Приписываем это фото-гейтинг эффекту, как особому случаю фото-проводящего эффекта [49]. Фото-гейтинг эффект может работать как локальный фото-гейт, модулирующий канальную проводимость [50]. Оптическое изображение устройства с эффективной площадью ~40 мкм² описано на Рис. 2b с электродами E1 и E2 как источник и сток. Для выяснения конфигурации гетероструктуры провели комбинированную Рамановскую карту (Рис. 2c), указывающую на канальные материалы латеральной MoS₂/WS₂ гетероструктуры между измеренными источником и стоком (E1 и E2) [28]. Синие, красные и темные участки — MoS₂, WS₂ и металлические электроды соответственно. Рис. 2d показывает полулогарифмические выходные характеристики латеральной гетероструктуры под видимым светом 405 нм, 520 нм и 635 нм. Вставка на Рис. 2d показывает линейную I-V связь между каналом и электродами [51-56]. Линейная I-V характеристика способствует высокой ответственности, но низкой чувствительности фото-детекторов из-за высокого темнового тока [57]. Дополнительно, I_ph (I_light − I_dark) фото-детектора увеличивается в 12,5 раз по сравнению с до термического отжига, что, возможно, приписывается уменьшению контактного сопротивления [46, 58], удалению дефектов [59] и улучшению электрических проводимостей [60]. Рис. 2e изображает фото-переключающие характеристики, возбужденные вышеуказанными длинами волн. Переходный ток быстро растет при включении света и падает при выключении, подразумевая, что этот фото-детектор может служить быстрым световключаемым переключателем [61].

Оптоэлектронные характеристики фото-детектора. (a) Схематная диаграмма и предложенное выравнивание зон фото-детектора. Оптическое изображение (b) и соответствующая комбинированная Рамановская карта (c) фото-детектора. E1 и E2 — источник и сток измеренного устройства. Полулогарифмические (d) и линейные (вставка d) I-V характеристики и фото-переключающие характеристики (e) фото-детектора

Полулогарифмические выходные характеристики с той же длиной волны, но разной плотностью мощности лазера, показаны на Рис. 3a. Как ожидается, фотток увеличивается с ростом плотности мощности лазера из-за большего числа индуцированных фотогенерированных носителей [62]. Рис. 3b показывает I-V кривые с той же плотностью мощности, но разными длинами волн (разное поглощение света и энергия оптического возбуждения). Хотя более короткая длина волны обладает меньшим числом фотонов по сравнению с более длинной при той же плотности мощности. В данном случае измеренный переходный ток увеличивается с уменьшением длины волны облучения. Это может быть вызвано сниженным оптическим поглощением при более длинной длине волны [63, 64]. Рис. 3c описывает переходный ток под периодическим лазерным освещением 10 с, указывая на стабильный воспроизводимый фотоотклик [61]. Для большинства низкоразмерных фото-детекторов, доминирующих фото-гейтинг эффектом, можно получить ограниченную скорость отклика и высокую ответственность из-за удлиненного времени жизни избыточных носителей [50, 65]. Время нарастания/спада определяется как время, необходимое для подъема/падения фоттока от 10%/90% стабильного значения до 90%/10% [66, 67]. Относительно длинное время нарастания/спада должно быть вызвано медленной рекомбинацией носителей, происходящей от лазерного освещения, возбуждающего много дефектных состояний [68]. Следовательно, время отклика, включая время нарастания и спада, жертвуется фото-гейтинг эффектом из-за долгоживущих процессов захвата зарядов [57]. Некоторые исследователи предлагают, что высококачественный канальный материал, обеспечивающий гладкий и короткий путь для переноса носителей, и оптимальная структура устройства могут улучшить скорость отклика [69, 70]. Действительно, основные показатели качества фоточувствительных устройств — это ответственность (R) и детектируемость (D*). R рассчитывается по соотношению:

R = I_ph / (P · S) (1)

где P и S — плотность мощности лазера и эффективная площадь устройства [62, 71, 72]. Рис. 3d показывает соответствующие значения R фото-детектора под разными плотностями мощности лазера. Чемпионский R достигает ~567,6 А/В, обеспечивая конкурентоспособный параметр производительности. Высокий R приписывается подавленной фотоножносящей рекомбинации в гетероструктуре вместе с захватом электронов в области MoS₂ предположительно [22]. Уменьшение R с ростом плотности мощности лазера дополнительно подтверждает фото-гейтинг эффект в фото-детекторе [73].

Более того, фотток и плотность мощности лазера следуют степенному закону:

I_ph = A P^α (2)

где A — константа, 0 < α < 1. Значение α, полученное аппроксимацией кривой I_ph vs P на Рис. 4a, связано с процессом захвата, рекомбинации и переноса носителей [74, 75]. Сублинейная связь I_ph и P указывает на наличие фото-гейтинг эффекта в устройстве [65]. Более высокое значение α (например ~0,73) получается при более низких плотностях мощности из-за сниженной фотоножносящей рекомбинации и взаимодействий между носителями [75, 76]. Напротив, более высокие плотности мощности приводят к деградированному α ~0,55 из-за более сильных рекомбинационных потерь и большего числа ловушечных состояний [77]. Предусловие расчета D* по уравнению:

D* = R (S / (2e I_dark))¹ᐟ² (3)

состоит в том, что фото-детекторы ограничены шумом выброса как основным источником шума [49, 66, 78]. Для более точной оценки D* ток шума, измеренный на Рис. 4b, измерялся под разными частотами [74]. Рис. 4b показывает типичный 1/f шум [79] в наших фото-детекторах, который является значительным препятствием для полупроводниковой промышленности от новых материалов. Этот шум в основном возникает от заряженных примесей и ловушечных центров в проводимом канале [57, 80]. Высокое качество материала и малая плотность структурных дефектов желательны для снижения 1/f шума [81]. Согласно формуле:

D* = R (S Δf)¹ᐟ² / I_noise (4)

где Δf — полоса измерений, I_noise — ток шума [79], детектируемость фото-детектора составляет ~7,17×10¹¹ Джонс. Таблица 1 сравнивает некоторые представительные фото-детекторы с соответствующей фотооткликовой производительностью на базе 2D материалов. Относительно высокие R и D* наших фото-детекторов показывают большой потенциал в оптоэлектронных устройствах.

(a) График I_ph vs плотности мощности лазера. (b) Спектр мощности тока (S_I) под разными частотами. Напряжение для (a–b) 1 В

Заключение

В итоге разработан высокопроизводительный фото-детектор на базе латеральной монослойной MoS₂/WS₂ гетероструктуры. Размер канальных материалов, выращенных одношаговым жидкофазным CVD методом, достигает миллиметрового масштаба. Более того, высококачественные канальные материалы с хорошей однородностью и резким интерфейсом были изучены системной материаловедческой характеристикой и последующими измерениями устройств. Особенно, высокая ответственность 567,6 А/В и детектируемость ~10¹¹ Джонс достигнуты для фото-детекторов благодаря фото-гейтинг эффекту. Производительность предложенных латеральных MoS₂/WS₂ гетероструктурных фото-детекторов лучше или сравнима с опубликованными работами [24, 62, 76, 78, 86, 97, 98]. Кроме того, предполагаем, что нежелательный 1/f шум, возникающий от захвата/дезактивации зарядовых носителей, может быть дополнительно снижен высококачественными и бездефектными канальными материалами. Простой одношаговый жидкофазный CVD рост и отличная оптоэлектронная производительность фото-детекторов могут мотивировать дальнейшие исследования оптоэлектронных устройств на основе латеральных гетероструктур.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, поддерживающие выводы статьи, включены в статью.