Groot lateraal fotovoltaïsch effect in MoS2/GaAs heterojunctie

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont het Raman-spectrum van de MoS₂ film op het GaAs-substraat. Naast de piek van het GaAs-substraat bij ~ 287.1 cm ⁻¹ , twee karakteristieke MoS₂ Raman-pieken zijn te zien, de A_1g modus bij ∼ 406.7 cm ⁻¹ en E ¹ _2g modus bij ∼ 378,9 cm ⁻¹ . De twee rechter inzetstukken tonen de illustratie van de atomaire vibratie in MoS₂ . De A_1g modus komt overeen met de S-atomen die in tegenfase oscilleren in de richting buiten het vlak, en de E ¹ _2g modus komt overeen met de S- en Mo-atomen die in tegenfase evenwijdig aan het kristalvlak oscilleren. Zoals weergegeven in de afbeelding, komt de Raman-piek overeen met de A_1g modus is bij voorkeur opgewonden voor de film. Volgens onze metingen is de intensiteitsverhouding van A_1g /E ¹ _2g ligt rond de 2.1. Deze Raman-kenmerken zijn vergelijkbaar met andere gerapporteerde resultaten over MoS₂ dunne films [19]. De linker inzet toont een AFM-topografische afbeelding van de 40-nm MoS₂ film gegroeid op het GaAs-substraat. Uit de figuur kunnen we zien dat het oppervlak van de film is samengesteld uit dichte kegelachtige korrels. Volgens de metingen is de wortel-mean-square (RMS) ruwheid van de film ongeveer 1,7 nm en de gemiddelde grootte van korrels is ongeveer 76,3 nm in diameter. Deze korrels op het oppervlak kunnen de oppervlaktereflectie naar het externe licht verminderen en de lichtabsorptie van het gefabriceerde apparaat verbeteren.

Raman-spectrum van de MoS₂ film op GaAs. De rechter twee inzetstukken tonen de schematische illustraties van de oscillerende modus van E ¹ _2g en A_1g , respectievelijk. Atoomkleurcode:licht blauwgroen, Mo; geel, S. De linker inzet toont het oppervlaktemorfologiebeeld van de als gegroeide MoS₂ films

Afbeelding 2 toont de XPS-spectra van de MoS₂ film. Zoals getoond in Fig. 2a, zijn de pieken bij 229,3 en 232,5 eV gerelateerd aan de Mo 3d_5/2 en Mo 3d_3/2 orbitalen, respectievelijk. Zoals getoond in Fig. 2b, S 2p_3/2 en S 2p_1/2 orbitalen van tweewaardige sulfide-ionen (S ²⁻ ) worden waargenomen bij respectievelijk 162,2 en 163,3 eV. De resultaten komen goed overeen met de gerapporteerde waarden voor de MoS₂ kristal [17, 18].

XPS-spectra van de MoS₂ film voor a Mo en b S-elementen, respectievelijk

Figuur 3a toont de longitudinale I -V curve van de gefabriceerde MoS₂ /n -GaAs heterojuncties. Twee In-elektroden met een diameter van ongeveer 0,5 mm werden op het oppervlak van de MoS₂ . gedrukt film en de achterkant van de GaAs, respectievelijk. De inzet toont de schematische schakeling voor de longitudinale metingen. De voorwaartse spanning wordt gedefinieerd als een positieve voorspanning die wordt aangelegd op de bovenste In-elektrode. Zoals te zien is in de afbeelding, is de gefabriceerde MoS₂ /n -GaAs heterojunctie vertoont duidelijk corrigerend gedrag. De rectificatieverhouding (I ₊ /Ik ₋ ) gemeten bij ±-1,0 V is ongeveer 520. In onze experimenten waren zowel In/MoS₂ en In/GaAs behoren tot ohmse contacten en hun I -V curven zijn bijna lineair. Dus de rectificerende I -V kenmerk in de heterojunctie is voornamelijk afkomstig van de MoS₂ /GaAs-contactpersoon. Figuur 3b toont de transversale I -V curve van de gefabriceerde MoS₂ /n -GaAs heterojuncties. Twee In-elektroden met een diameter van ongeveer 0,5 mm werden op het oppervlak van de MoS₂ . gedrukt film. De bovenste inzet toont de schematische schakeling voor de dwarsmetingen. Uit de afbeelding, de I -V curve toont een enigszins niet-lineaire toename van de stromen met toenemende spanningen. Dit geeft aan dat een inversielaag op de MoS₂ /n -GaAs-interface wordt gevormd [18]. De onderste inzet toont de I -V curven van de enkele MoS₂ films op het intrinsieke GaAs-substraat. Uit de figuur, een bijna lineaire I -V curve kan worden gezien, wat verder de ohmse aard van de In/MoS₂ . aangeeft contact. Bij de spanning van + 0,5 V, de stroom van de enkele MoS₂ is ongeveer 3,1 × 10 ⁻² μA, veel kleiner dan de waarde in de MoS₂ /n -GaAs, ongeveer 2,3 A. Dus, vergeleken met de MoS₂ film, de inversielaag bij de MoS₂ /n -GaAs-interface levert een pad met een veel lagere soortelijke weerstand voor dragertransport tijdens de transversale metingen van de MoS₂ /n -GaAs heterojunctie.

een Longitudinaal I -V curve van de gefabriceerde MoS₂ /n -GaAs heterojuncties. De inzet toont de schematische schakeling voor de longitudinale metingen. b Dwars I -V krommen van de gefabriceerde MoS₂ /n -GaAs heterojuncties. De bovenste inzet toont de schematische schakeling voor de dwarsmetingen. De onderste inzet toont de I -V curven van de MoS₂ films op het intrinsieke GaAs-substraat

Figuur 4a toont het schematische circuit voor het meten van de LPE van de gefabriceerde MoS₂ /GaAs heterojunctie. Twee In-elektroden met een diameter van 0,5 mm worden op het oppervlak van de MoS₂ . gedrukt film om de metingen van de LPE uit te voeren. De afstand (2L ) tussen de elektroden is ~  1,0 mm. Tijdens onze metingen werden elektroden A en B respectievelijk verbonden met de positieve en negatieve sondes van een Keithley 2000 voltmeter. Figuur 4b toont de LPE-curves van de MoS₂ /n -GaAs en MoS₂ /p -GaAs heterojuncties, respectievelijk. De dikte van de MoS₂ films is ~  30,0 nm. Wanneer het oppervlak van de MoS₂ film wordt gedeeltelijk verlicht door een laserspot met een diameter van ongeveer 0,1 mm, een grote LPE kan worden waargenomen in de MoS₂ /n -GaAs heterojunctie. Zoals te zien is in de afbeelding, vertoont de LPE een ongeveer lineaire afhankelijkheid van de positie van de laservlek wanneer de laservlek beweegt tussen elektroden A en B op de MoS₂ oppervlakte. Uit de figuur kunnen we zien dat de LPV afhangt van de positie van de laserspot. Dit kan worden gefit met de diffusietheorie [16],

waar K ₀ , 2L , d , en x vertegenwoordigen respectievelijk een evenredigheidscoëfficiënt, de afstand tussen twee elektroden, de dragerdiffusielengte en de laserspotpositie. De goed passende resultaten in de figuur suggereren duidelijk dat de LPE in de MoS₂ /n -GaAs heterojunctie ontstaat door de laterale diffuse stroming en recombinatie van de aangeslagen dragers weg van de laserpositie. Zoals te zien is in de figuur, is de LPV-waarde nul wanneer de lichtvlek zich in het midden tussen twee elektroden bevindt, wat kan worden toegeschreven aan de diffusiesymmetrie van de dragers. Wanneer de lichtpositie dicht bij de A-elektrode is, is de LPV positief en vice versa. Dit geeft aan dat de LPE in de MoS₂ /n -GaAs heterojunctie wordt veroorzaakt door de foto-geëxciteerde dragers van het gattype. De maximale LPV wordt verkregen wanneer de laserverlichting het dichtst bij de elektroden is. Volgens onze metingen is de maximale laterale fotospanning (LPV_max ) is ongeveer 208,2 mV in het lineaire gebied van de MoS₂ /n -GaAs heterojunctie. Ter vergelijking:de LPV van de MoS₂ /p -GaAs heterojunctie is veel kleiner en de LPV_max is slechts 7,3 mV, zoals weergegeven in de afbeelding. Uit de figuur kunnen we zien dat de LPE van de MoS₂ /p -GaAs heterojunctie wordt bepaald door de elektronen-type foto-geëxciteerde dragers. Bovendien, niet-lineaire LPE-kenmerken van de MoS₂ /p -GaAs heterojunctie is te zien aan de figuur wanneer de laservlek tussen de A- en B-elektroden beweegt.

een Schematische schakeling voor het meten van de LPE. b LPE-curven van de MoS₂ /n -GaAs en MoS₂ /p -GaAs heterojuncties, respectievelijk

Afbeelding 5 toont de LPE-gevoeligheid van de MoS₂ /n -GaAs heterojunctie als functie van het laservermogen en de dikte (d _MoS2 ) van de MoS₂ film. De gevoeligheid wordt gedefinieerd door S =LPV_max /L . Het is duidelijk dat de S neemt aanvankelijk drastisch toe met toenemend laservermogen, maar verzadigt dan langzaam wanneer het vermogen verder toeneemt. Deze verzadiging kan worden veroorzaakt door de snel toenemende recombinatiesnelheid van de foto-geëxciteerde gaten met toenemende laserintensiteit in het verlichte gebied [20]. Zoals te zien is in de afbeelding, kan een duidelijke LPE en een hoge gevoeligheid worden verkregen, zelfs onder de zwakke laserverlichting van 100,0 μW. Uit de figuur blijkt een significante afhankelijkheid van de gevoeligheid van de dikte van de MoS₂ films te zien zijn. Wanneer d _MoS2 =~ 10.0 nm, S =165,4 mV mm ⁻¹ onder de laserverlichting van 100,0 μW. Met toenemende filmdikte, S neemt geleidelijk toe. Wanneer d _MoS2 =30,0 nm, S bereikt 416,4 mV mm ⁻¹ . Deze gevoeligheid is veel groter dan de gerapporteerde MoS₂ /Si-apparaten [17, 18]. Na d _MoS2> 30,0 nm, S neemt af met verder toenemende MoS₂ dikte. Wanneer d _MoS2 =90,0 nm, S = 283,3 mV mm ⁻¹ . Om de grootste LPE en gevoeligheid te verkrijgen, is er dus een optimale dikte van de MoS₂ film in de gefabriceerde MoS₂ /n -GaAs, ongeveer 30,0 nm.

Afhankelijkheid van positieve en negatieve gevoeligheden van de gefabriceerde MoS₂ /n -GaAs heterojunctie op laservermogens, respectievelijk

Afbeelding 6a toont de UPS-spectra van de MoS₂ film op het Si-substraat. De werkfunctie (W ) van de film kan worden berekend uit het verschil tussen de grens van de hoogste bindingsenergie en de fotonenergie van de opwindende straling. Uit de afbeelding, W =5,24 eV kan worden verkregen. De afstand (∆E ) tussen de valentieband (E _V ) en het Fermi-niveau (E _F ) van MoS₂ film kan worden geëxtraheerd uit de beginenergie, zoals weergegeven in de inzet. De ∆E voor de MoS₂ film is ongeveer 0,51 eV. Gebruik van de gegevens uit het transmissiespectrum van de MoS₂ film op kwartssubstraat, (αhν ) ² is uitgezet als functie van de fotonenergie hν , waarbij h is de constante van Planck en ν is de fotonfrequentie. De α is de absorptiecoëfficiënt, berekend door αd =ln(1/T ) [21], waarbij d en T zijn respectievelijk de dikte en de transmissie van de film. De band gap (E _g ) van de film kan worden bepaald vanaf het snijpunt van de lijn op de hν as, E _g =1,54 eV, zoals weergegeven in Fig. 6b. Op basis van deze energiebandparameters wordt de p -type gedrag van de MoS₂ film kan worden bepaald, wat verder kan worden bewezen door Hall-metingen. De Hall-resultaten laten zien dat de concentratie van de drager van het gattype en de mobiliteit ongeveer 3,8 × 10 ¹⁵ zijn cm ⁻³ en 11,2 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , respectievelijk.

een UPS-spectra van de MoS₂ film op GaAs, die het Fermi-niveau van de films en de afstand tussen het Fermi-niveau en de bovenrand van de geleidingsband laat zien. b (αhν ) ² ~hν curve van het UV-spectrum van de MoS₂ film op kwartssubstraat onder dezelfde depositieconditie

Om de mechanismen van de LPE in de MoS₂ . te verduidelijken /GaAs-heterojuncties, de energiebanddiagrammen op de interface zijn geconstrueerd op basis van de resultaten in Fig. 6. Hier, E _g =1,42 eV en E _F =4,17 eV voor n -GaAs wordt in aanmerking genomen om de bandstructuur te construeren [22]. Wanneer de MoS₂ film wordt afgezet op het GaAs-substraat, de elektronen stromen van de GaAs naar de MoS₂ film op de interface vanwege de hogere E _F van de GaAs. Het vloeiende proces stopt wanneer de Fermi-niveaus gelijk zijn en de MoS₂ /GaAs p -n verbinding wordt gefabriceerd, zoals weergegeven in Fig. 7a. Bijgevolg is een ingebouwd veld (E _twee ) wordt gevormd op de interface van de MoS₂ /GaAs heterojunctie. E _twee =[E _F (n -GaAs) − E _F (MoS₂ )]/e =1,07 V en het wijst van de GaAs naar de MoS₂ film. Dus de asymmetrische longitudinale I -V curve wordt getoond in Fig. 3a. Vanwege het bestaan ​​van een sterke E _twee , worden grote hoeveelheden dragers van het gattype verzameld nabij het grensvlak en wordt een inversielaag gevormd in de n -GaAs-substraat nabij het grensvlak, zoals weergegeven in Fig. 7b. Vergelijkbaar met het tweedimensionale gatengas (2DHG) [23], zou de inversielaag het kenmerk van hoge geleiding kunnen vertonen vanwege de hoge plaatconcentratie van de gaten (p+ ). Uit Fig. 3b kunnen we zien dat de geleiding van de inversielaag veel groter is dan de MoS₂ film. Dus de geleiding tussen twee elektroden aan dezelfde kant van de MoS₂ film wordt gedomineerd door de inversielaag in plaats van de MoS₂ film. Wanneer de junctie gedeeltelijk wordt verlicht door de laser, wordt het licht geabsorbeerd en de elektron-gat-paren in de MoS₂ film en GaAs kunnen respectievelijk worden geïnduceerd, zoals getoond in Fig. 7c. Het kan echter worden verwacht dat het grootste deel van de laser wordt geabsorbeerd door de GaAs-substraten vanwege de veel grotere dikte en kleinere bandafstand. Onder de laserbelichting kunnen de elektron-gatparen alleen worden geëxciteerd in het verlichte gebied en ruimtelijk gescheiden door de E _twee . Door de oriëntatie van de E _twee wijzend van GaAs naar MoS₂ , stromen de foto-geëxciteerde gaten naar het grensvlak en gaan ze de inversielaag in de GaAs binnen, zoals weergegeven in figuur 7c. De foto-exciteerde gaten in de inversielaag diffunderen zijdelings weg van de verlichte plek naar de twee elektroden. De concentratie van de geëxciteerde gaten die door de twee elektroden worden verzameld, is verschillend voor verschillende afstanden tot de verlichte plek. Er wordt dus een grote LPV gevormd tussen de elektroden en de LPE wordt waargenomen in de heterojunctie. Dit is in overeenstemming met de gefitte resultaten van Fig. 3b, en de LPE in de MoS2/n -GaAs heterojuncties zijn voornamelijk afkomstig van de dragerdiffusie. Wanneer de MoS₂ film wordt afgezet op de p -GaAs-substraat, a p -p heterojunctie wordt gevormd, zoals weergegeven in figuur 7d. E _F (p -GaAs) =5,32 eV wordt gebruikt in het banddiagram [22]. De E _twee van de p -p heterojunctie kan worden berekend, 0,08 V, en de richting wijst van de film naar het substraat. Vanwege de E _twee , elektronen-type dragers worden geaccumuleerd nabij het grensvlak van de heterojunctie en de inversielaag wordt gevormd. Zo wordt het LPE dat wordt geïnduceerd door de diffusie van de foto-geëxciteerde elektronen verkregen in de MoS₂ /GaAs p -p heterojunctie, zoals weergegeven in Fig. 4. De concentratie van de geaccumuleerde drager in de inversielaag kan echter lager zijn vanwege de zwakke V _twee van slechts 0,08 V in de p -p heterojunctie vergeleken met de p -MoS₂ /n -GaAs-knooppunt. Dit vergroot de moeilijkheden van het transport van de foto-aangeslagen elektronen in de inversielaag. Serieus, de Schottky-barrières kunnen worden gevormd tussen de n -type inversielaag en de p -MoS₂ film, zoals getoond in Fig. 7e. Deze kenmerken van de p -MoS₂ /p -GaAs-junctie onderdrukken de verzameling van de foto-geëxciteerde elektronen bij de elektroden. Als gevolg hiervan kon de LPE grotendeels worden verminderd. Zoals getoond in Fig. 4b, is de LPV_max voor de p -p junctie is slechts 7,3 mV terwijl deze 208,2 mV bereikt in de p -n kruising.

een Uitlijning van de energieband van de MoS₂ /n -GaAs heterojunctie, en b de bijbehorende afbeelding van het elektrisch contact op de interface. c Mechanisme van de LPE in de MoS₂ /n -GaAs heterojunctie. d Uitlijning van de energieband van de MoS₂ /p -GaAs heterojunctie, en e de bijbehorende afbeelding van het elektrisch contact op de interface

Het gebeurt meestal in de gerapporteerde heterojunctie-type PSD's dat de LPE kan worden afgesteld door de dikte van de afdeklagen te veranderen [20]. Dit kan goed worden begrepen door rekening te houden met de recombinatie van de foto-geëxciteerde dragers in de film en de evolutie van het ingebouwde veld. In de MoS₂ /GaAs p -n knooppunt kan de recombinatie van door fotonen gegenereerde dragers worden verbeterd dankzij het lange transportpad in de dikke MoS₂ film voordat ze door de elektroden worden opgevangen. Dit vermindert de LPE van de heterojuncties. Omgekeerd kan een dunnere film de recombinatie sterk verminderen, wat de toename van de LPE veroorzaakt. Wanneer de MoS₂ dikte kleiner is dan de kritische waarde, de E _twee op het grensvlak neemt af met verder afnemende MoS₂ dikte [24]. Dit kan de scheiding van door fotonen gegenereerde elektron-gatparen verminderen en de LPE neemt af. Zo is er een optimale dikte van de MoS₂ film voor het verkrijgen van de hoogste LPE, ongeveer 30 nm.