Fotoresponsiviteit regelen in multi-laag MoS₂-fototransistoren via aangelegte bias

Samenvatting

We bestudeerden de variatie van fotoresponsiviteit in multi-laag MoS₂ fototransistoren naargelang de aangelegte bias verandert. De fotoresponsie-winst wordt bereikt wanneer fotogegenereerde gaten, vastgehouden in het MoS₂, elektronen van de bron aantrekken. Daardoor kan de fotoresponsiviteit worden geregeld door de gate- of drainbias. Wanneer de gatebias onder de drempelspanning ligt, diffunderen er weinig elektronen in het kanaal, door een grote barrière tussen MoS₂ en de bronelectrode. In dit regime neemt de barrière af naarmate de gate- of drainbias toeneemt, waardoor het aantal geïnjeceerde elektronen exponentieel toeneemt, wat leidt tot een exponentiële toename van de fotoresponsiviteit. Aan de andere kant, als de gatebias boven de drempelspanning ligt, wordt de fotoresponsiviteit beïnvloed door de drager snelheid in plaats van de barrièrehoogte, omdat de drainstroom beperkt wordt door de driftsnelheid van de dragers. Met toenemende drainbias neemt de drager snelheid lineair toe en verzadigt door drager snelheidsverzadiging, waardoor de fotoresponsiviteit eveneens lineair toeneemt en verzadigt.

Achtergrond

Onlangs hebben overgangsmetaal-dichalcogeniden (TMD) zoals molybdeen-disulfide (MoS₂) en wolfram-diselenide (WSe₂) veel aandacht gekregen als kanaalmateriaal voor de volgende generatie nano-elektronische apparaten [1-6]. In het bijzonder tonen dun-film transistors met MoS₂ interessante elektrische eigenschappen zoals hoge elektronenmobiliteit (~200 cm² V⁻¹ s⁻¹), hoge AN/UIT-verhouding (~10⁸) en lage subdrempelhelling (~70 mV dec⁻¹) in een enkelvoudige laag MoS₂ transistor [7]. Bovendien trekt MoS₂ aandacht als lichtabsorberende laag in opto-elektronische apparaten vanwege de bandgaping (enkelvoudige laag MoS₂ heeft een directe bandgaping van 1,8 eV [8] en bulk MoS₂ een indirecte bandgaping van 1,2 eV [9]) en grote absorptiecoëfficiënt (α = 1–1,5 × 10⁶ cm⁻¹ voor enkelvoudige laag [10] en 0,1–0,6 × 10⁶ cm⁻¹ voor bulk [11]). Daarom hebben fototransistoren met MoS₂ een lage donkere stroom in de UIT-toestand en hoge fotoresponsiviteit. De prestaties van MoS₂ fototransistoren zijn verbeterd door introductie van additionele lagen zoals grafeen [12-15], kwantumdots [16-18], organische kleurstoffen [19], WS₂ [20-22], ZnO [23] en p-type MoS₂ [24] of door de gate-dielektrica te veranderen [7, 25, 26]. Op deze manier is er actief onderzoek gedaan om de fotoresponsiviteit te verbeteren via additionele fabricageprocessen; er is echter gebrek aan onderzoek naar winstregeling en specifiek begrip van MoS₂ fototransistoren. Wanneer winstregeling mogelijk is, kan een breed bereik aan lichtintensiteiten betrouwbaar gedetecteerd worden, en kan de winst worden verhoogd zonder additionele fabricagestappen. In deze context onderzochten we de bias- (drain of gate-) geregelde fotoresponsiviteit in multi-laag MoS₂ fototransistoren.

Methoden

Figuur 1a toont het schematische diagram van de gefabriceerde multi-laag MoS₂ fototransistor. We groeiden 250 nm SiO₂ op een zwaar n-gedoteerd silicon substraat. De multi-laag MoS₂ flakes werden mechanisch geëxfolieerd van bulk MoS₂ (Graphene Supermarket, VS) en overgedragen naar een SiO₂/Si substraat met de conventionele Scotch-tape methode [27]. De bron- en drainelectroden werden gepatroneerd met fotolithografie en Ti/Au (5/80 nm) werd gedeponeerd op het patroon met een e-bundel verdamper. Figuur 1b toont de AFM (Atoomkrachtmicroscopie) afbeelding van de gefabriceerde fototransistor. De kanaallengte en -breedte zijn respectievelijk 7,31 en 4,74 μm, en het inset toont de dikte van de multi-laag MoS₂ is ongeveer 49 nm, wat overeenkomt met ongeveer 75 lagen, aannemend dat één laag 0,65 nm dik is [28, 29].

De gefabriceerde MoS₂ fototransistor en elektrische karakteristieken. a Schematisch diagram van de gefabriceerde multi-laag MoS₂ fototransistor. b Atoomkrachtmicroscopie (AFM) afbeelding van de fototransistor. Het inset is de dwarsdoorsnede langs de rode lijn in de AFM-afbeelding. c Transferkarakteristieken van de multi-laag MoS₂ fototransistor met drainspanningen van 3, 9, 15, 21 en 27 V in het donker. d Variaties in de subdrempelhelling met toenemende drainbias.

Resultaten en Discussie

Figuur 1c toont de transferkarakteristieken van de multi-laag MoS₂ fototransistor met drainspanningen van 3, 9, 15, 21 en 27 V in het donker. De stroom-spanningskarakteristieken van de gefabriceerde multi-laag MoS₂ fototransistor werden gemeten met een dual-kanaal bronmeter (Keithley 2614B) bij kamertemperatuur en N₂ omgeving. De AN/UIT-verhouding is ongeveer 10⁵. De veldeffectmobiliteit werd geschat op 18,6 cm²/V s voor een drainbias van 3 V uit de volgende vergelijking [26]:

$$ {\mu}_{\mathrm{eff}}=\left({g}_m\cdot L\ \right)/\left(\ {C}_{\mathrm{OX}}\cdot W\cdot {V}_{\mathrm{DS}}\right) $$ (1)

waarbij L de kanaallengte is, W de kanaalbreedte, en de oxidecapaciteit C_OX is 1,38 × 10⁻⁸ F/cm². Het was duidelijk waarneembaar dat toenemende drainbias de drempelspanning doet dalen en de subdrempelhelling doet stijgen. Dit duidt erop dat de drempelspanning en subdrempelhelling beïnvloed worden door de drainbias. In het algemeen wordt de drempelspanning geschat door de vergelijking:

$$ {V}_{\mathrm{th}}={V}_{\mathrm{GS}}(0)-{V}_{\mathrm{DS}}/2 $$ (2)

waarbij V_GS(0) het snijpunt is tussen de trendlijn in het lineaire deel van de transfercurve en de x-as. Echter, Verg. (2) veronderstelt een kleine drainbias zodat verzadigingseffecten van de snelheid verwaarloosbaar zijn (V_DS ≪ L ⋅ ν_sat/μ_eff = 10 V, waar ν_sat de verzadigingssnelheid is en μ_eff de veldeffectmobiliteit); het is daarom moeilijk om de exacte drempelspanning te extraheren voor een grote drainbias. Om die reden hebben we alleen de verandering in subdrempelhelling geëxtraheerd en het effect van de drainbias op het kanaal bevestigd. Figuur 1d toont de verandering in subdrempelhelling geëxtraheerd uit de helling van het lineaire deel van de log(I_D) − (V_GS) grafiek voor verschillende drainspanningen. De subdrempelhelling steeg van 1,44 V/decade naar 3,14 V/decade toen de drainbias steeg van 3 naar 27 V. Dit impliceert dat een grote drainbias de barrière tussen het MoS₂ kanaal en de Au bronelectrode verlaagt, waardoor de kanaalcontrolleerbaarheid van de gatebias zwakt.

Om de responsiviteit van de MoS₂ fototransistor te onderzoeken, maatten we de transferkarakteristieken bij verschillende verlichtingsintensiteiten met een 466-nm golflengte diode-gepompte vastestof (DPSS) laser. Figuur 2a toont de transferkarakteristieken van de multi-laag MoS₂ fototransistor in het donker en onder drie verschillende lichtintensiteiten (5, 7 en 10 mW/cm²), bij een drainspanning van 3 V. Naarmate de lichtintensiteit toeneemt, verschuift de transfercurve naar links, wat aantoont dat fotogegenereerde gaten in het MoS₂ kanaal vastzitten en fungeren als een positieve gatebias [13, 30, 31]. Figuur 2b toont de variatie van fotostroom en responsiviteit wanneer de lichtintensiteit en drainbias toenemen bij een constante gatebias van −30 V. De fotostroom wordt verkregen door het verschil tussen de drainstroom onder verlichting en in het donker (I_ph = I_verlicht − I_donker), en de responsiviteit gedefinieerd als I_ph/P_licht, waar I_ph de fotostroom is en P_licht het optische vermogen dat op het MoS₂ kanaal valt. Naarmate de drainbias en 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% externe kwantumefficiëntie (EQE) 0,375 A/W, en de gemeten responsiviteit overschrijdt deze waarde wanneer de drainbias 15 V is en de lichtintensiteit 8 mW/cm². Dit betekent dat er een fotoresponsie-winst is in deze multi-laag MoS₂ fototransistor en dat deze beïnvloed wordt door de drainbias.

Fotoresponsie-karakteristieken van MoS₂ fototransistoren afhankelijk van verlichtingsintensiteit. a Transferkarakteristieken met constante V_DS = 3 V onder verlichting met drie verschillende intensiteiten (5, 7 en 10 mW/cm²). b Verandering in fotostroom met toename van lichtintensiteit bij verschillende drainspanningen (V_DS = 9, 15 V) en een constante gatebias (V_GS = −30 V).

Om de verandering in fotoresponsiviteit volgens de gate-spanning te observeren, maatten we de fotostroom terwijl we de drainspanning verhoogden van 3 naar 27 V onder 5 mW/cm² verlichting (Fig. 3a). Naarmate de aangelegte gatebias toeneemt, neemt de fotostroom exponentieel toe in de UIT-toestand (V_GS < V_th) en verzadigt in de AAN-toestand (V_th < V_GS). Dit komt doordat, wanneer de aangelegte gatebias −30 V is (UIT-toestand) en het verlicht wordt (Fig. 3b), een grote barrière ontstaat tussen het MoS₂ kanaal en de bron/drain (Au) elektroden. De elektronen die nodig zijn om de kanaalneutraliteit te behouden, die verstoord werd door de vastzittende gaten, worden niet goed in het kanaal geïnjeceerd. Echter, naarmate de gatebias toeneemt tot de drempelspanning, wordt de barrière kleiner en kunnen elektronen gemakkelijk in het MoS₂ kanaal diffunderen. Daarom neemt de fotostroom exponentieel toe vóór de drempelspanning. Aan de andere kant, als de gatebias groter wordt dan de drempelspanning, dat wil zeggen wanneer het apparaat AAN staat, is de barrière voldoende verlaagd en de fotostroom verzadigt (Fig. 3c). Het werd ook opgemerkt dat de fotostroom in zowel de UIT- als AAN-toestand toeneemt naarmate de drainbias toeneemt. Dit betekent dat, in tegenstelling tot de fotoresponsie-eigenschappen van de conventionele fototransistor, die alleen in de UIT-toestand gemeten wordt [26, 32], er fotoresponsie-winst is zelfs in de AAN-toestand naarmate de drainspanning toeneemt.

Fotoresponsie van MoS₂ fototransistoren afhankelijk van aangelegte bias. a Fotostroom bij verschillende drainspanningen (3, 9, 15, 21 en 27 V) en een constante lichtintensiteit (5 mW/cm²) afhankelijk van de gatebias. b, c Energiebanddiagrammen van een multi-laag MoS₂ fototransistor.

Om het effect van drainbias op de fotoresponsiviteit van de MoS₂ fototransistor in de UIT- en AAN-toestand te verifiëren, werden de fotoresponsie-karakteristieken gemeten door te verlichten met licht en de gatebias te fixeren op −30 en 27 V, overeenkomend met de UIT- en AAN-toestand respectievelijk. Figuur 4a toont de verandering in fotostroom, en Fig. 4b toont de responsiviteit en specifieke detectiviteit volgens de drainbias in de UIT-toestand. De specifieke detectiviteit wordt geëxtraheerd uit de vergelijking [26, 33]:

$$ {D}^{\ast }=R\cdot {A}^{1/2}/{\left(2\cdot q\cdot {I}_{\mathrm{dark}}\right)}^{1/2} $$ (3)

waarbij R de responsiviteit is, A het oppervlak van het MoS₂ kanaal, q de elementaire lading, en I_dark de donkere stroom. In de UIT-toestand nemen de fotostroom en responsiviteit exponentieel toe met hogere drainbias. Daarom nam de fotostroom (responsiviteit), die 4,28 × 10⁻¹⁴ A (0,12 A/W) was bij een drainbias van 3 V en lichtintensiteit van 10 mW/cm², scherp toe tot 1,57 × 10⁻⁸ A (4,53 A/W) toen 27 V drainbias werd toegepast. Deze resultaten tonen aan dat de fotostroom en responsiviteit exponentieel toenemen met de toename van de drainbias. Aan de andere kant, in de AAN-toestand, nemen de fotostroom (Fig. 4c) en responsiviteit (Fig. 4d) lineair toe en verzadigen naarmate de drainbias toeneemt. Bij een constante lichtintensiteit van 5 mW/cm² en een drainbias die steeg van 3 naar 27 V, nam de fotostroom (responsiviteit) 5-voudig toe van 2,9 × 10⁻⁶ A (1677 A/W) naar 1,5 × 10⁻⁵ A (8667 A/W). Bovendien vertoonde de detectiviteit dezelfde tendens als de responsiviteit. In de UIT-toestand (Fig. 4b) steeg deze van 1,76 × 10⁸ Jones naar 2,87 × 10⁸ Jones toen de drainbias steeg van 3 naar 27 V onder een lichtintensiteit van 10 mW/cm². In de AAN-toestand (Fig. 4d) steeg deze van 6,14 × 10⁹ Jones naar 8,63 × 10⁹ Jones toen de drainbias steeg van 3 naar 27 V onder een lichtintensiteit van 5 mW/cm². Daarom, aangezien de diffusiestroom dominant is in de UIT-toestand, neemt de responsiviteit exponentieel toe naarmate de drainbias toeneemt. Aan de andere kant is de drifstroom dominant in de AAN-toestand; daarom neemt de responsiviteit lineair toe naarmate de drainbias toeneemt.

Fotoresponsie-karakteristieken gemeten bij vier verschillende bestralingsintensiteiten (5, 7, 8 en 10 mW/cm²) toenemende drainbias. a Fotostroom, b responsiviteit en specifieke detectiviteit in de UIT-toestand. Insets in a en b zijn uitgezet met de log-schaal van de fotostroom en responsiviteit respectievelijk. c Fotostroom, d responsiviteit en specifieke detectiviteit in de AAN-toestand.

De waargenomen drainbias-afhankelijke karakteristieken van de multi-laag MoS₂ fototransistor kunnen worden verklaard door het schematische energiebanddiagram getoond in Fig. 5. Wanneer het multi-laag MoS₂ kanaal verlicht wordt, worden elektronen-gaatparen fotogegenereerd in het kanaal. De fotogegenereerde gaten zitten vast in het MoS₂ kanaal, waardoor de neutraliteit van het kanaal wordt verbroken. Dan trekt het positief geladen kanaal meer elektronen van de bron aan om de neutraliteit te behouden, en hoeveel elektronen van de bron worden geleverd, bepaalt de fotoresponsie-winst. Wanneer de aangelegte gatebias onder de drempel ligt, is er een grote barrière tussen het MoS₂ kanaal en de bron zoals getoond in Fig. 5a en de drainstroom wordt beperkt door diffusie over de barrière. Naarmate de aangelegte drainbias toeneemt (Fig. 5b), wordt de barrière verlaagd door de buiging van het MoS₂ kanaal, waardoor de aanvoer van elektronen voor kanaalneutraliteit wordt vergemakkelijkt. Daarom verbetert de fotoresponsiviteit exponentieel voor de drainbias, zoals getoond in Fig. 4b. Wanneer de aangelegte gatebias boven de drempel ligt, is de barrière tussen MoS₂ en bron voldoende laag (Fig. 5c), de drainstroom wordt beperkt door de dragerdrif in het kanaal. Daarom is de dragerdriftsnelheid een belangrijke factor in de variatie van de fotoresponsiviteit. In dit regime neemt de drager snelheid en de fotoresponsiviteit lineair toe en verzadigt bij een bepaalde drainbias (~10 V) zoals getoond in Fig. 4d.

Energiebanddiagram van multi-laag MoS₂ fototransistor onder verlichting bij lage drainbias in de UIT (V_GS < V_th) toestand (a) en hoge drainbias in de UIT toestand (b). Een lage drainbias in de AAN (V_GS > V_th) toestand (c) en een hoge drainbias in de AAN toestand (d).

Conclusies

We hebben een multi-laag MoS₂-gebaseerde fototransistor gefabriceerd en de bias- (drain of gate-) geregelde fotoresponsiviteit in detail onderzocht. De verandering in fotoresponsiviteit volgens de bias kan worden ingedeeld in twee gevallen: wanneer de gatebias kleiner is dan de drempelspanning (UIT-toestand) en wanneer de gatebias groter is dan de drempelspanning (AAN-toestand). Wanneer de gatebias kleiner is dan de drempelspanning, diffunderen er weinig elektronen in het kanaal, door een grote barrière tussen MoS₂ en de bronelectrode. Naarmate de gate- of drainspanningen toenemen, neemt de hoogte van de barrière af en neemt het aantal in het kanaal geïnjeceerde elektronen voor neutraliteit toe. Als resultaat neemt de fotoresponsiviteit exponentieel toe. Aan de andere kant, wanneer de gatebias groter is dan de drempelspanning, wordt de fotoresponsiviteit beïnvloed door de drager snelheid in plaats van de hoogte van de barrière omdat de stroom beperkt wordt door de dragerdriftsnelheid. Naarmate de drainbias toeneemt, neemt de drager snelheid lineair toe en verzadigt. Daarom neemt de fotoresponsiviteit lineair toe en verzadigt. We zijn in staat geweest de responsiviteitsvariaties in multi-laag MoS₂-gebaseerde fototransistoren volgens de gate- of drainbias te begrijpen. Hierdoor kan de winst worden geregeld om het toepassingsbereik van de MoS₂ fototransistor te vergroten en optimaal te laten functioneren, afhankelijk van het doel en de omgeving.