Bias-afhankelijke fotoresponsiviteit van meerlaagse MoS2-fototransistoren

Resultaten en discussie

Figuur 1c toont de overdrachtskenmerken van de meerlaagse MoS₂ fototransistor met afvoerbias van 3, 9, 15, 21 en 27 V in het donker. De stroom-spanningskarakteristieken van de gefabriceerde meerlaagse MoS₂ fototransistor werden gemeten met behulp van een tweekanaals bronmeter (Keithley 2614B) bij kamertemperatuur en N₂ omgeving. De AAN/UIT-verhouding is ongeveer 10 ⁵ . De mobiliteit van het veldeffect werd geschat op 18,6 cm ² /V s voor een afvoerbias van 3 V uit de volgende vergelijking [26]:

waar L is de kanaallengte, W is de kanaalbreedte en de oxidecapaciteit C _OX is 1,38 × 10 ⁻⁸ F/cm ² . Er werd duidelijk waargenomen dat wanneer de drain-bias wordt verhoogd, de drempelspanning afneemt en de subthreshold-zwaai toeneemt. Dit geeft aan dat de drempelspanning en subdrempelzwaai worden beïnvloed door de afvoerbias. In het algemeen wordt de drempelspanning geschat door de vergelijking:

waar V _GS (0) is het snijpunt tussen de trendlijn in een lineair deel van de overdrachtscurve en de x -as. Echter, vgl. (2) gaat uit van een kleine afvoerbias zodat de snelheidsverzadigingseffecten verwaarloosbaar zijn (V _DS 〈〈L ⋅ ν _zat /μ _eff = 10 V, waarbij ν _zat is de verzadigingssnelheid en μ _eff is de veldeffectmobiliteit); daarom is het moeilijk om de exacte drempelspanning voor een grote afvoerbias te extraheren. Om deze reden hebben we alleen de verandering in subthreshold swing geëxtraheerd en het effect van de drain-bias op het kanaal bevestigd. Figuur 1d toont de verandering in subthreshold swing geëxtraheerd uit de helling van het lineaire deel van de log(I _D ) − (V _GS ) grafiek voor verschillende afvoervooroordelen. De schommeling onder de drempelwaarde nam toe van 1,44 V/decennium tot 3,14 V/decade toen de drain-bias toenam van 3 naar 27 V. Dit houdt in dat een grote drain-bias de barrière tussen de MoS₂ verlaagt kanaal en de Au-bronelektrode, waardoor de kanaalbeheersbaarheid van de gate-bias wordt verzwakt.

Om de responsiviteit van de MoS₂ . te onderzoeken fototransistor hebben we de overdrachtskarakteristieken gemeten bij verschillende verlichtingsvermogensdichtheden met behulp van een 466 nm golflengte diode-gepompte solid-state (DPSS) laser. Figuur 2a toont de overdrachtskarakteristieken van de meerlaagse MoS₂ fototransistor in het donker en onder drie verschillende lichtintensiteiten (5, 7 en 10 mW/cm ² ), bij een afvoerspanning van 3 V. Naarmate de lichtintensiteit toeneemt, verschuift de overdrachtscurve naar links, wat aangeeft dat de fotogegenereerde gaten in de MoS₂ zitten. kanaal en fungeren als een positieve gate-bias [13, 30, 31]. Figuur 2b laat zien dat de variatie van fotostroom en responsiviteit wanneer de lichtintensiteit en afvoervoorspanning toenemen bij een constante poortvoorspanning van − 30 V. De fotostroom wordt verkregen door het verschil tussen de afvoerstroom onder verlichting en in het donker (I _ph = Ik _verlicht − Ik _donker ), en de responsiviteit wordt gedefinieerd door I _ph /P _licht , waar ik _ph is de fotostroom en P _licht is het optische vermogen verlicht op de MoS₂ kanaal. Naarmate de afvoerbias en de lichtintensiteit toenemen, nemen de fotostroom en responsiviteit toe. Rekening houdend met een laser met een golflengte van 466 nm, is de responsiviteit die overeenkomt met 100% van de externe kwantumefficiëntie (EQE) 0,375 A/W, en de gemeten responsiviteit overschrijdt deze waarde, wanneer de afvoerbias 15 V is en de lichtintensiteit is 8 mW/cm ² . Dit betekent dat er een fotoresponswinst is in deze meerlaagse MoS₂ fototransistor en dat deze wordt beïnvloed door de afvoerbias.

Fotoresponskenmerken van MoS₂ fototransistoren afhankelijk van de verlichte lichtintensiteit. een Overdrachtskarakteristieken met een constante V _DS = 3 V onder verlichting met drie verschillende lichtintensiteiten (5, 7 en 10 mW/cm ² ). b Verandering in fotostroom met toename van lichtintensiteit bij verschillende afvoervooroordelen (V _DS = 9, 15 V) en een constante gate-bias (V _GS = − 30 V) worden toegepast

Om de verandering in fotoresponsiviteit te observeren volgens de poortspanning, hebben we de fotostroom gemeten terwijl we de afvoerspanning verhoogden van 3 naar 27 V onder 5 mW/cm ² lichte verlichting (Fig. 3a). Naarmate de toegepaste poortvoorspanning toeneemt, neemt de fotostroom exponentieel toe in de UIT-toestand (V _GS < V _de ) en raakt verzadigd in de AAN-status (V _de < V _GS ). Dit komt omdat, wanneer de toegepaste poortvoorspanning − 30 V is (UIT-status) en deze verlicht is (Fig. 3b), er een grote barrière wordt gevormd tussen de MoS₂ kanaal en de source/drain (Au) elektroden. De elektronen die nodig zijn om de kanaalneutraliteit te behouden, die werd vernietigd door de opgesloten gaten, worden dus niet goed in het kanaal geïnjecteerd. Naarmate de gate-bias echter toeneemt tot de drempelspanning, wordt de barrière kleiner en kunnen de elektronen gemakkelijk diffunderen in de MoS₂ kanaal. Daarom neemt de fotostroom exponentieel toe vóór de drempelspanning. Aan de andere kant, als de poortvoorspanning groter wordt dan de drempelspanning, dat wil zeggen, wanneer het apparaat wordt ingeschakeld, wordt de barrière voldoende verlaagd en is de fotostroom verzadigd (figuur 3c). Er werd ook opgemerkt dat de fotostroom toeneemt in zowel de UIT- als de AAN-toestand naarmate de afvoervoorspanning toeneemt. Dit betekent dat, in tegenstelling tot de fotoresponseigenschappen van de conventionele fototransistor, die alleen in de UIT-stand [26, 32] wordt gemeten, er zelfs in de AAN-stand een fotoresponsversterking is naarmate de afvoerspanning toeneemt.

Fotoreactie van MoS₂ fototransistoren afhankelijk van de toegepaste bias. een Fotostroom bij verschillende afvoervoorspanningen (3, 9, 15, 21 en 27 V) en een constante lichtintensiteit (5 mW/cm ² ) afhankelijk van de poortbias. b, c De energiebanddiagrammen van een meerlaagse MoS₂ fototransistor

Om het effect van drain bias op de fotoresponsiviteit van de MoS₂ . te verifiëren fototransistor in de UIT- en AAN-toestanden, werden de fotoresponskenmerken gemeten door deze met licht te verlichten en deze te fixeren op een poortvoorspanning van -30 en 27 V, overeenkomend met respectievelijk de UIT- en AAN-status. Figuur 4a toont de verandering in fotostroom, en figuur 4b toont de responsiviteit en specifieke detectiviteit volgens de drain-bias in de UIT-status. De specifieke detectiviteit wordt afgeleid uit de vergelijking [26, 33]:

waar R is de responsiviteit, A is het gebied van de MoS₂ kanaal, q is de eenheidslading, en I _donker is de donkere stroom. In de UIT-toestand nemen de fotostroom en responsiviteit exponentieel toe met een hogere afvoerbias. Daarom is de fotostroom (responsiviteit), die 4,28 × 10 ⁻¹⁴ . was A (0,12 A/W) wanneer de afvoerbias 3 V was en de lichtintensiteit 10 mW/cm ² , sterk gestegen tot 1,57 × 10 ⁻⁸ A (4,53 A/W) wanneer 27 V afvoervoorspanning werd toegepast. Deze resultaten laten zien dat de fotostroom en responsiviteit exponentieel toenemen met de toename van de afvoerbias. Aan de andere kant, in de AAN-toestand, nemen de fotostroom (figuur 4c) en responsiviteit (figuur 4d) lineair toe en raken verzadigd naarmate de afvoervoorspanning toeneemt. Wanneer de lichtintensiteit constant 5 mW/cm is ² en de afvoerbias werd verhoogd van 3 naar 27 V, de fotostroom (responsiviteit) vervijfvoudigd van 2,9 × 10 ⁻⁶ A (1677 A/W) tot 1,5 × 10 ⁻⁵ A (8667 A/W). Bovendien vertoonde de detectiviteit dezelfde tendens als de responsiviteit. In de UIT-status (Fig. 4b) nam deze toe van 1,76 × 10 ⁸ Jones naar 2,87 × 10 ⁸ Jones toen de afvoerbias werd verhoogd van 3 naar 27 V onder een lichtintensiteit van 10 mW/cm ² . In de AAN-status (Fig. 4d) nam deze toe van 6,14 × 10 ⁹ Jones naar 8,63 × 10 ⁹ Jones toen de afvoerbias werd verhoogd van 3 naar 27 V bij een lichtintensiteit van 5 mW/cm ² . Daarom, aangezien de diffusiestroom dominant is in de UIT-toestand, neemt de responsiviteit exponentieel toe naarmate de afvoervoorspanning toeneemt. Aan de andere kant is de driftstroom dominant in de AAN-toestand; daarom neemt de responsiviteit lineair toe naarmate de afvoervoorspanning toeneemt.

Fotoresponskenmerken gemeten bij vier verschillende bestralingssterkten (5, 7, 8 en 10 mW/cm ² ) wanneer de afvoerbias wordt verhoogd. een Fotostroom, b responsiviteit en specifieke detectiviteit in de UIT-status. Inzet in a en b zijn uitgezet met de log-schaal van respectievelijk de fotostroom en de responsiviteit. c Fotostroom, d responsiviteit en specifieke detectiviteit in de AAN-status

De waargenomen drain bias-afhankelijke kenmerken van de meerlaagse MoS₂ fototransistor kan worden verklaard door het schematische energiebanddiagram getoond in Fig. 5. Wanneer de meerlaagse MoS₂ kanaal wordt verlicht, worden de elektron-gat-paren fotogegenereerd in het kanaal. De fotogegenereerde gaten zitten vast in de MoS₂ kanaal, waardoor de neutraliteit van het kanaal wordt verbroken. Vervolgens trekt het positief geladen kanaal meer elektronen van de bron aan om de neutraliteit te behouden, en hoeveel elektronen van de bron worden toegevoerd, bepaalt de fotoresponsversterking. Wanneer de toegepaste gate-bias onder de drempel ligt, is er een grote barrière tussen de MoS₂ kanaal en de bron zoals getoond in Fig. 5a en de afvoerstroom wordt beperkt door de diffusie over de barrière. Naarmate de toegepaste afvoervoorspanning toeneemt (Fig. 5b), wordt de barrière verlaagd door de buiging van de MoS₂ kanaal, waardoor de toevoer van elektronen voor kanaalneutraliteit wordt vergemakkelijkt. Daarom, zoals getoond in Fig. 4b, verbetert de fotoresponsiviteit exponentieel voor de afvoerbias. Wanneer de toegepaste poortvoorspanning boven de drempel ligt, wordt de barrière tussen MoS₂ en de bron voldoende laag is (figuur 5c), wordt de afvoerstroom beperkt door de dragerdrift in het kanaal. Daarom is de driftsnelheid van de drager een belangrijke factor in de variatie in fotoresponsiviteit. In dit regime, als de toegepaste drain-bias toeneemt (Fig. 5d), nemen de dragersnelheid en de fotoresponsiviteit lineair toe en verzadigen ze bij een bepaalde drain-bias (~ -10 V) zoals weergegeven in Fig. 4d.

Energiebanddiagram van meerlaagse MoS₂ fototransistor onder verlichting bij een lage afvoerbias in de UIT (V _GS < V _de ) staat (a ) en een hoge afvoer voorspanning in de UIT-status (b ). Een lage afvoer voorspanning in de AAN (V _GS> V _de ) staat (c ) en een hoge afvoerbias in de AAN-status (d )