Фотодетекторы на основе боковых однослойных гетеропереходов MoS2 / WS2

Введение

Принимая во внимание рынок полупроводниковых чипов стоимостью почти полтриллиона долларов, двумерные (2D) материалы в настоящее время являются одними из наиболее возможных и многообещающих кандидатов на расширение закона Мура [1,2,3,4,5]. Как представитель семейства 2D, дихалькогениды переходных металлов (ДПМ) интенсивно изучаются из-за их отличительных оптоэлектронных свойств и потенциальных применений [6,7,8,9,10,11,12] в фотодетекторных и светоизлучающих устройствах. [13, 14]. Примечательно, что регулируемая запрещенная зона, высокая подвижность носителей, высокое оптическое поглощение и атомарно тонкая толщина, делающие TMD подходящими канальными материалами для фотодетекторов, играют решающую роль в оптоэлектронных или электронных устройствах [15, 16]. Хотя кристаллические дефекты в TMD, приводящие к эффекту захвата носителей, могут привести к высокой фоточувствительности, они неизбежно могут привести к низкой скорости отклика [17]. Кроме того, некоторые исследователи предлагают плазмонное усиление для увеличения ограниченного использования света 2D-материалами [18,19,20]. Сочетая соответствующие преимущества и демонстрируя уникальный электронный транспорт на стыке, представлены гетероструктуры TMD либо с боковым сшиванием, либо с вертикальным наложением [21]. Такие гетероструктуры могут изменять внутренние электронные свойства и улучшать оптическое поглощение [22], демонстрируя новые и конструктивные особенности [13, 23]. Например, встроенное электрическое поле [24] или разность уровней энергии [25], индуцированная TMD-гетероструктурами, должно ускорять разделение фотоносителей [26], подавлять рекомбинацию фотоносителей [17, 27], а также снижать темновой ток [28], что полезен для достижения высокопроизводительного фотодетектирования. Кроме того, группа Ванга [29] подтвердила подавление электронно-дырочной (e – h) рекомбинации в боковых гетероструктурах. Как сообщалось ранее, боковые гетероструктуры показали более высокую подвижность носителей [30], тогда как вертикальные гетероструктуры обычно увеличивали фотоактивную площадь [27] и / или увеличивали ток на одну область [31]. Более того, плоские границы раздела боковых гетероструктур показали более высокую интенсивность излучения, чем обе стороны [14]. Однако подавленное излучение фотолюминесценции (ФЛ) могло наблюдаться в вертикальном гетерогранице из-за уменьшения прямой излучательной рекомбинации [32]. Кроме того, как боковые, так и вертикальные гетероструктуры TMD позволяют создавать новые экситонные переходы [14].

Что касается качества кристаллической решетки, MoX ₂ / WX ₂ (X =S, Se или Te) боковые гетеропереходы могут вызывать структурные дефекты едва ли из-за их аналогичной сотовой [33, 34] конфигурации и параметров решетки [34]. Кроме того, такой тип гетероперехода может в целом формировать выравнивание полос типа II, что желательно для высокоэффективного фотодетектирования [32, 34, 35]. Согласно предыдущей работе, боковой монослой MoS ₂ / WS ₂ гетеропереход предпочитает проявлять выравнивание полосы типа II с максимумом валентной полосы (VBM), локализованным в WS ₂ и минимум зоны проводимости (CBM) при MoS ₂ [32, 34]. Например, группа Ву также сообщила, что VBM и CBM MoS ₂ на 0,39 эВ и на 0,35 эВ ниже, чем у WS ₂ соответственно [34]. Кроме того, смещение полосы между MoS ₂ и WS ₂ определение выравнивания полос можно оценить по их разным d-орбитальным положениям Mo и W [34]. Вертикальные гетероструктуры могут быть получены механическим переносом и стопкой, а боковые - только методами роста [14]. Кроме того, вертикальные гетероструктуры, как сообщалось ранее, не могут быть точным контролем, и они легко загрязняются на границах раздела между слоями [33]. К счастью, боковые гетероструктуры могут быть синтезированы одностадийным методом для уменьшения загрязнения [28]. В настоящее время выращивание больших по площади и качественных боковых монослойных гетероструктур TMDs остается большой проблемой [36]. Следовательно, высококачественные боковые гетеропереходы TMD с большой площадью имеют важное значение и желательны для разработки высокопроизводительных фотодетекторов.

Здесь боковой монослой MoS ₂ / WS ₂ На основе этих гетероструктур изготавливаются гетеропереходы с острыми границами раздела и хорошей однородностью с помощью одностадийного жидкофазного метода CVD и фотоприемников. Представленные фотоприемники могут обеспечивать высокую чувствительность и обнаружительную способность 567,6 A / W и 7,17 × 10 ¹¹ . Джонс соответственно. Эта работа демонстрирует боковой монослой MoS ₂ / WS ₂ гетеропереходы могут служить квалифицированными кандидатами для оптоэлектронных приложений следующего поколения.

Методы

Синтез гетероструктур

0,05 г вольфрамата натрия, 0,5 г молибдата аммония и 0,12 г частиц NaOH (или КОН) растворяли в 10 мл деионизированной (ДИ) воды с получением раствора предшественника. Подложки для выращивания (сапфир) обрабатывали раствором пираний для улучшения гидрофильности поверхности, а затем раствор предшественника равномерно наносили центрифугированием на чистые сапфировые подложки. После этого сапфир и сера, покрытые прекурсором, помещались в центр нагрева и перед кварцевой трубкой соответственно. Нагревательный центр увеличивали до 700 ° C за 40 минут и поддерживали в течение 10 минут для роста MoS ₂ -OH бислои (т.е. MoS ₂ монослой и один слой OH ^- прикрепленные ионы). Наконец, газ-носитель был изменен с Ar на Ar / H ₂ . (5% H ₂ ), а центр нагрева нагревается до 780 ° C в течение 10 минут и выдерживается в течение 10 минут, чтобы WS ₂ расти по краям MoS ₂ –OH бислои, образующие MoS ₂ / WS ₂ боковые гетероструктуры. Более подробная информация о синтезе гетероструктур содержится в предыдущей работе [30].

Процесс переноса

Мы использовали метод полистирола (ПС) для переноса WS ₂ / MoS ₂ боковые гетероструктуры от сапфира до SiO ₂ / Si подложки. Раствор ПС (9 г ПС растворяли в 100 мл толуола) сначала наносят центрифугированием на гетероструктуры со скоростью 3500 об / мин в течение 60 с, затем образец прокаливают при 90 ° C в течение 10 мин для удаления толуола. После этого WS ₂ / MoS ₂ –Пленка PS получается каплей воды, а плавающий WS ₂ / MoS ₂ –Пленка PS затем углубляется чистым SiO ₂ / Si подложка. WS ₂ / MoS ₂ –PS-SiO ₂ / Образец Si обжигается при 80 ° C в течение 1 часа, а затем при 150 ° C в течение 30 минут для распределения полимера и устранения возможных складок. Наконец, пленка PS удаляется промыванием толуолом несколько раз, чтобы получить WS ₂ / MoS ₂ -SiO ₂ / Si образцы.

Изготовление устройства

Стандартная электронно-лучевая литография (EBL) использовалась для определения маркеров и рисунков электродов на выращенном боковом монослое MoS ₂ / WS ₂ гетеропереходы. Электроды Ti / Au (10 нм / 100 нм) были испарены на канале и сняты в ацетоне. Устройство было подвергнуто термическому отжигу при 400 ° C в течение 2 часов в вакууме и быстро остыло до комнатной температуры.

Характеристика материала

Оптические изображения были получены с помощью микроскопа OLYMPUS (LV100ND). Картированные изображения комбинационного рассеяния света, фотолюминесценции и АСМ были получены с помощью конфокального спектрометра комбинационного рассеяния-света (Witec, alpha300 RA) с лазером с длиной волны 532 нм.

Характеристики устройства

Оптоэлектронные свойства фотодетекторов были измерены с помощью зондовой станции SemiProbe и анализатора параметров полупроводников (Keithley 4200) и Platform Design Automation (PDA, FS-Pro). В качестве источников света использовались лазеры с различной длиной волны для измерения фотоотклика фотоприемников. Различная плотность лазерного излучения определялась с помощью иррадиатометра.

Результаты и обсуждение

На рис. 1а показано оптическое изображение боковой монослойной гетероструктуры, выращенной методом CVD, проиллюстрированное оптическим контрастом. Соответствующие спектры комбинационного рассеяния света, полученные из различных позиций, отмеченных цифрами 1 и 2 на рис. 1а, подтверждают конфигурацию внутреннего MoS ₂ (385,5 см ⁻¹ и 405,3 см ⁻¹ ) и внешний WS ₂ (351,5 см ⁻¹ и 416,5 см ⁻¹ ) на рис. 1б [30]. Высокое качество кристаллов MoS ₂ и WS ₂ подразумеваются, потому что в соответствующих спектрах комбинационного рассеяния не наблюдается пика окисления [37]. В частности, собственные пики MoS ₂ и WS ₂ оба наблюдались в сшитом интерфейсе, обозначенном цифрой 3 на рис. 1a, что указывает на образование двух материалов на границе раздела. Кроме того, разница частот между E _2g режим и A _1g режим MoS ₂ составляет 19,8 см ⁻¹ , предполагая однослойный [30, 38, 39]. При рассмотрении WS ₂ , отношение пиковых интенсивностей продольной акустической моды (2LA) [40] на 352 см ⁻¹ в A _1g режим, т.е. I _2LA / I _A1g , более точно проверяет толщину, чем разность частот [14]. Отношение было оценено как ~ 2, что соответствует монослою WS ₂ . измерено лазером с длиной волны 532 нм [14]. Отчетливое красное смещение E _2g может наблюдаться мода (колебание в плоскости), являющееся результатом эффекта легирования [41] в боковых гетеропереходах. Примечательно, что подобное поведение также наблюдалось в вертикальных гетеропереходах, вызванных диэлектрическим экранированием и межслойной связью [42]. Кроме того, результат рамановского отображения на рис. 1c с синей областью MoS ₂ и красная область WS ₂ указывает на бесшовную качественную плоскую гетероструктуру [13, 43]. На рис. 1d, e также показана конфигурация с MoS ₂ . внутри и WS ₂ вне PL отображением соответственно [13]. Несколько точек, показывающих повышенную интенсивность ФЛ в WS ₂ область может быть объяснена как неоднородность носителей, вызванная примесями или вакансиями [14]. Кроме того, более сильное излучение PL на границе раздела, чем у MoS ₂ область может быть интерпретирована как неоднородное распределение носителей или более высокая скорость фотоиндуцированной рекомбинации носителей на краях [14]. Как рамановское, так и PL-отображение предлагают четкий и хорошо сшитый интерфейс между MoS ₂ и WS ₂ [14, 44]. Толщина и морфология поверхности измерялись с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) в режиме захвата. Обратите внимание, что во внутреннем материале наблюдается небольшое количество границ зерен, приводящих к рассеянию носителей заряда [45], но края, указывающие на лучшие характеристики электрического переноса, как показано на рис. 1f [14, 46]. Толщина WS ₂ снаружи составляет ~ 0,7 нм (внизу), что соответствует WS ₂ , выращенному методом CVD. монослой, о котором сообщалось ранее [47], и разница высот между WS ₂ и MoS ₂ составляет около 0,25 нм (вверху), что подразумевает однослойный MoS ₂ [47]. В целом, приведенные выше результаты характеризации материала могут продемонстрировать боковой монослой MoS ₂ / WS ₂ гетеропереход с острой границей раздела.

Результаты характеризации материала выращенного бокового монослоя MoS ₂ / WS ₂ гетероструктура. ( а) Оптическое изображение бокового монослоя MoS ₂ / WS ₂ гетеропереход. ( б) Рамановский спектр, полученный с сайта, отмеченного цифрами 1, 2 и 3 в ( a ), соответственно. Рамановское отображение изображения ( c ), PL изображения карт MoS ₂ регион ( d ) и WS ₂ регион ( e ) из области в красной рамке в ( a ). Соответствующая полоса искусственного цвета вставляется внизу ( c ) - ( e ). ( е ) Соответствующая высота поперечного сечения синего профиля (между WS ₂ и MoS ₂ ) и белый (между WS ₂ и подложка) линии, отмеченные на морфологическом изображении АСМ

Фотоприемники изготовлены с использованием системы EBL на основе бокового MoS ₂ / WS ₂ гетеропереход. На рис. 2а представлена ​​схематическая диаграмма (вверху) устройства с боковым гетеропереходом и соответствующее выравнивание полос типа II (внизу). Соответственно, электроны и дырки переносятся и удерживаются в MoS ₂ и WS ₂ области через интерфейс, соответственно, достигая фотоэлектрического преобразования [13, 21, 24, 48]. Мы связываем это с эффектом фотостирования, например, с частным случаем эффекта фотопроводимости [49]. Эффект фотостатации может работать как локальный фотозатвор, модулирующий проводимость канала [50]. Оптическое изображение устройства с эффективной площадью устройства ~ 40 мкм ² описан на рис. 2b с электродами E1 и E2 в качестве электродов истока и стока. Чтобы выяснить конфигурацию гетероперехода, было выполнено комбинированное рамановское отображение (рис. 2c), показывающее материалы каналов бокового MoS ₂ / WS ₂ гетеропереход между измеряемыми электродами истока и стока (E1 и E2) [28]. Синий, красный и темный разделы - это MoS ₂ . , WS ₂ и металлические электроды соответственно. На рис. 2d показаны полулогарифмические выходные характеристические кривые бокового гетероперехода в видимом свете с длиной волны 405 нм, 520 нм и 635 нм соответственно. На вставке к рис. 2d показан линейный I-V соотношение между каналом и электродами [51,52,53,54,55,56]. Линейный I - V Этот характер способствует достижению высокой чувствительности, но плохой чувствительности фотоприемников из-за высокого темнового тока [57]. Кроме того, I _ph (т.е. Я _свет - Я _темный ) фотоприемника увеличивается в 12,5 раз по сравнению с показателем до термического отжига, что может быть связано с уменьшением контактного сопротивления [46, 58], удалением дефектов [59] и улучшенной электропроводностью [60]. На рисунке 2e показаны характеристики фотопереключения, возбуждаемые указанными выше длинами волн. Переходный ток быстро нарастает, когда свет включен, и падает, как только свет выключается, что означает, что этот фотодетектор может служить быстрым переключателем, активируемым светом [61].

Оптоэлектронные характеристики фотоприемника. ( а) Принципиальная схема и предлагаемая полосная юстировка фотоприемника. Оптическое изображение ( b ) и соответствующее комбинированное рамановское отображение ( c ) фотоприемника. E1 и E2 представляют собой электроды истока и стока измеряемого устройства. Полулогарифмический ( d ) и линейный (вставка из ( d) ) Я - V характеристики и характеристики фотопереключения ( e ) фотоприемника

Полулогарифмические выходные характеристики с той же длиной волны, но с различными плотностями мощности лазера показаны на рис. 3a. Как и ожидалось, фототок увеличивается по мере увеличения плотности мощности лазера из-за большего количества индуцированных фотогенерированных носителей [62]. На рисунке 3b показан I - V кривые с одинаковой плотностью мощности лазера, но с разными длинами падающих волн (т. е. с разной величиной поглощения света и энергией оптического возбуждения). Хотя более короткая длина волны содержит меньше фотонов по сравнению с более длинной волной при той же плотности мощности лазера. В этом случае измеренный переходный ток увеличивается с уменьшением длины волны облучения. Это может быть вызвано уменьшением оптического поглощения на большей длине волны [63, 64]. На рис. 3в показан переходной ток при периодическом лазерном облучении в течение 10 с, что указывает на стабильный воспроизводимый фотоотклик [61]. Для большинства фотоприемников малых размеров, в которых преобладает эффект фотостирования, можно получить ограниченную скорость отклика и высокую чувствительность из-за длительного времени жизни избыточных носителей заряда [50, 65]. Время нарастания / спада определяется как время, необходимое для повышения / понижения фототока от 10% / 90% от стабильного значения до 90% / 10% [66, 67]. Относительно длительное время нарастания / спада должно быть вызвано медленной рекомбинацией носителей, вызванной лазерным излучением, возбуждающим многие дефектные состояния [68]. Поэтому время отклика, включая время нарастания и время спада, было принесено в жертву эффекту фотостирования из-за долгоживущих процессов захвата заряда [57]. Некоторые исследователи предположили, что высококачественный материал канала, который может обеспечить плавный и короткий путь для передачи носителей и оптимальную структуру устройства, может улучшить скорость отклика [69, 70]. Действительно, за показатели качества светочувствительных устройств в основном ответственность ( R ) и обнаруживаемость ( D *). R рассчитывается по отношениям

Фотоотклик фотоприемника. Я - V характеристики при различных плотностях мощности лазера 405 нм ( a ) и при разных длинах падающих волн 5 мВт / см ² ( б ). ( в) Фотоотклик с временным разрешением, возбуждаемый периодическим включением / выключением падающего света. ( г) Извлеченный R (черная сфера) как функция плотности мощности лазера. Приложенное напряжение для ( c - г ) составляет 1 В

где P и S - плотность мощности лазера и эффективная площадь устройства соответственно [62, 71, 72]. На рисунке 3d показаны соответствующие значения R . фотоприемника при различных плотностях мощности лазера. Чемпион R достигает ~ 567,6 A / W, обеспечивая конкурентоспособный параметр производительности. Высокий R объясняется подавленной рекомбинацией фотоносителей в гетероструктуре вместе с захватом электронов в MoS ₂ предположительно [22]. Уменьшенный R по мере увеличения плотности мощности лазера еще больше обнаруживается эффект фотостатирования в фотодетекторе [73].

Более того, фототок и плотность мощности лазера подчиняются степенному уравнению:

где A постоянная и 0 < α <1. Значение α , полученный путем аппроксимации кривой I _ph по сравнению с P на рис. 4а, относится к процессу захвата, рекомбинации и переноса носителей [74, 75]. Сублинейная связь между I _ph и P предполагает наличие в устройстве эффекта фотостатирования [65]. Более высокое значение α (например, ~ 0,73) может быть получено при применении более низких плотностей мощности из-за уменьшения рекомбинации фотоносителей и взаимодействий между носителями [75, 76]. Напротив, более высокие плотности мощности могут привести к ухудшению значения α до ~ 0,55 из-за более сильных рекомбинационных потерь и большего количества состояний ловушки [77]. Предпосылка рассчитанного D * через уравнение

(а) Сюжет о I _ph в зависимости от плотности мощности лазера. ( б) Текущий спектр мощности ( S _Я ) на разных частотах. Приложенное напряжение для ( a – b ) составляет 1 В

заключается в том, что фотоприемники ограничены дробовым шумом как основным источником шума [49, 66, 78]. Для дальнейшей оценки D * точнее, шумовой ток, полученный на рис. 4б, измерен на разных частотах [74]. На рисунке 4b показан типичный 1 / f-шум [79] в наших фотодетекторах, который является серьезным препятствием для полупроводниковой промышленности из новых материалов. Этот вид шума в основном возникает из-за заряженных примесей и участков захвата в проводящем канале [57, 80]. Для уменьшения шума 1 / f требуются более высокое качество материала и малая плотность структурных дефектов [81]. По формуле

где Δ f и я _шум - ширина полосы измерения и шумовой ток [79], обнаружительная способность фотоприемника составляет примерно 7,17 × 10 ¹¹ Джонс. В таблице 1 сравниваются некоторые избранные репрезентативные фотодетекторы с соответствующими характеристиками фотоотклика на основе 2D-материалов. Относительно высокий R и D * наши фотоприемники демонстрируют большой потенциал в оптоэлектронных устройствах.

Выводы

Таким образом, на основе бокового монослоя MoS ₂ был разработан высокопроизводительный фотоприемник. / WS ₂ гетеропереход. Размер материалов каналов, выращенных методом одностадийного жидкофазного химического осаждения из паровой фазы, достигает миллиметрового масштаба. Кроме того, высококачественные материалы каналов с хорошей однородностью и четкой границей раздела были исследованы путем систематической характеристики материала и последующих измерений устройства. В частности, высокая чувствительность 567,6 A / W и обнаруживающая способность ~ 10 ¹¹ . Джонса достигаются для фотоприемников за счет эффекта фотостатирования. Производительность предлагаемого бокового MoS ₂ / WS ₂ фотоприемники на гетеропереходе лучше или сопоставимы с опубликованными работами [24, 62, 76, 78, 86, 97, 98]. Кроме того, мы предполагаем, что нежелательный 1 / f-шум, возникающий из-за захвата / удаления носителей заряда, может быть дополнительно уменьшен за счет высококачественного и бездефектного материала канала. Простой одностадийный рост CVD в жидкой фазе и отличные оптоэлектронные характеристики фотодетекторов могут послужить стимулом для дальнейших исследований оптоэлектронных устройств на основе боковых гетероструктур.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, подтверждающие выводы этой статьи, включены в статью.