In-plane WSe₂-homojunction via interface-gating: een hoogpresterende fotodetector

Samenvatting

2D overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDCs) zijn uitgebreid bestudeerd voor nano-elektronica en nano-optoelektronica vanwege hun unieke eigenschappen. Vooral WSe₂, met bipolaire ladingsdragerttransport en een aanzienlijke bandkloof, is een veelbelovende kandidaat voor toekomstige fotodetectoren. Hier rapporteert een in-plane WSe₂-homojunction gevormd door de interface-gate van het substraat. In deze architectuur wordt een geïsoleerde h-BN-vlok gebruikt om alleen een deel van de WSe₂-vlok direct met het substraat in contact te brengen. Uiteindelijk vormen de structuren WSe₂/substraat en WSe₂/h-BN/substraat een in-plane homojunction. Interessant genoeg kan het apparaat zowel in fotovoltaïsche als fotoconductieve modus werken bij verschillende biassen. Hierdoor worden een responsiviteit van 1,07 A/W met een superieure detectiviteit van meer dan 10¹² Jones en een snelle reactietijd van 106 µs tegelijkertijd bereikt. Vergeleken met eerdere methoden die chemische doping of electrostatische gating met extra biasspanningen gebruiken, biedt ons ontwerp een eenvoudigere en efficiëntere weg voor de ontwikkeling van hoogpresterende WSe₂-gebaseerde fotodetectoren.

Inleiding

In het afgelopen decennium hebben 2D overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDCs) grote aandacht getrokken vanwege hun bijzondere eigenschappen. Hoge in-plane mobiliteit, afstelbare bandkloof, mechanische flexibiliteit, sterke licht-materie-interactie en eenvoudige verwerking maken ze zeer competitief voor toekomstige nano-optoelektronische apparaten. Vooral wolframdiselenide (WSe₂), een bipolaire halfgeleider met gemakkelijke ladingsdragertype-manipulatie, biedt uitzicht op toepassingen in junction-gebaseerde fotodetectoren. Tot nu toe omvatten de belangrijkste strategieën voor het construeren van een junction uitsluitend in WSe₂ chemische doping en electrostatische gating. Bijvoorbeeld, onlangs werd een intramoleculaire WSe₂ p-n junction gerapporteerd. Het n-gebied en p-gebied binnen WSe₂ werden gevormd door polyethyleenimine chemische doping en achtergate-controle respectievelijk. De p-n junction vertoonde een responsiviteit van 80 mA/W en een reactietijd van 200 µs. Sun et al. doopten WSe₂ met cetyltrimethylammoniumbromide om een intramoleculaire p-n junction te vormen, met een responsiviteit van 30 A/W en een reactietijd van ~7 ms. Baugher et al. demonstreerden een laterale WSe₂ p-n junction bereikt door electrostatische gating door twee gate-biassen met tegenovergestelde polariteit toe te passen. Een responsiviteit van 210 mA/W werd verkregen. Echter, door onvermijdelijke chemische verontreinigingen en de noodzaak van meerdere biassinstellingen, maken deze methoden de fabricatie en toepassing van junction-gebaseerde apparaten complex en moeilijk. Het samenstellen van diverse 2D-materialen om verticale van der Waals heterostructuren als WSe₂/MoS₂ junctions te bouwen is populair geworden voor de ontwikkeling van nieuwe fotodetectoren. Maar in deze configuratie lijdt het ladingsdragertransport tussen verschillende gelaagde materialen aan interface-defecten, wat de reactiesnelheid van het apparaat beperkt. Voor de Schottky-junction gevormd tussen metalen en 2D-materialen, wordt de Schottky-barrièrehoogte meestal bepaald door Fermi-niveau-pinning, wat oncontroleerbaar is en grote invloed heeft op de responsiviteit van de apparaten. Bovendien lijken de gerapporteerde werken niet te beschikken over zowel hoge responsiviteit als snelle reactiesnelheid.

Hier demonstreren we een eenvoudigere en efficiëntere manier om een in-plane WSe₂-homojunction te realiseren. In de architectuur ligt een deel van het WSe₂-kanaal op het Si/SiO₂-substraat en het andere deel op de h-BN-vlok. Dit schema is gebruikelijk in drijvende/half-drijvende gate-geheugens, waarin h-BN wordt gebruikt als gate-dielektrische laag. De lading opgeslagen aan één kant van de h-BN-laag kan de geleidbaarheid van het materiaal aan de andere kant regelen. In ons werk wordt de h-BN-vlok echter als perfecte isolator gebruikt om het interface-gating-effect op het WSe₂-kanaal te elimineren. De polariteit van WSe₂, welk deel alleen op het Si/SiO₂-substraat ligt, kan worden gemoduleerd door de interface-gate. Als resultaat werken de apparaten goed in fotovoltaïsche (PV) modus bij nul-bias. Tegelijkertijd vertoont het fotoconductieve (PC) kenmerken bij hoge bias. Een responsiviteit van 1,07 A/W met een superieure detectiviteit van meer dan 10¹² Jones en een snelle reactietijd van 106 µs worden tegelijkertijd bereikt zonder ingewikkeld apparaatontwerp en het risico op introductie van additionele chemische verontreinigingen.

Resultaten en Discussie

Figuur 1a toont een schematische weergave van de in-plane WSe₂-homojunction. Het is te zien dat een deel van de WSe₂-vlok op de h-BN-vlok is geplaatst (WSe₂-h) en het andere deel direct contact maakt met het Si/SiO₂-substraat (WSe₂-S). De functie van h-BN is om de interface-gate (IG) van het Si/SiO₂-substraat op WSe₂-h te isoleren. De vorming van de homojunction tussen WSe₂-h en WSe₂-S berust voornamelijk op de IG die de polariteit van WSe₂-S moduleert. De IG wordt geproduceerd door opgevangen ladingen aan het SiO₂-oppervlak. Dit wordt hieronder gedetailleerd besproken. Figuur 1b presenteert de optische afbeelding van het apparaat. Vier elektroden (E1-E4, Ti/Au) zijn bereid met elektronenbundel-lithografie, metallisatie en het lift-off-proces. De dikte van de materialen wordt gekarakteriseerd door atoomkrachtmicroscopie (AFM) (zie Fig. 1c). De hoogte van WSe₂ (h-BN) vlok in direct contact met het Si/SiO₂-substraat (witte stipellijnen) werd gemeten als 65 (23) nm (zie Fig. 1d, e). Er is een helling in plaats van een scherpe stap in het hoogteprofiel tussen WSe₂ (h-BN) en het Si/SiO₂-substraat. Dit kan veroorzaakt worden door residueel fotoresist aan de rand van het materiaal. Figuur 1f toont de Raman-spectra van WSe₂ en h-BN vlokken. Voor WSe₂ zijn de eerste-orde E₂g en A₁g Raman-modi duidelijk onderscheiden ~250 cm⁻¹, wat suggereert dat WSe₂ een meervoudige morfologie heeft. Voor h-BN wordt de Raman-piek van de E₂g-modus op ~1370 cm⁻¹ waargenomen. Vanwege de grote bandkloof van h-BN is het Raman-signaal zwak vergeleken met dat in WSe₂.

Om het effect van het substraat op WSe₂ te verkennen, werden de transferkenmerken van WSe₂-S en WSe₂-h apart bestudeerd. Zoals getoond in Fig. 2a, vertonen beide transfercurven bipolaire gedrag en een duidelijke hysterese kan worden waargenomen in de curve van WSe₂-S (zwart) vergeleken met die van WSe₂-h (rood). De stroom van WSe₂-h is hoger dan die van WSe₂-S. De steile helling in de curve van WSe₂-h wijst op een relatief grote transconductantie, wat evenredig is met de ladingsdrager-mobiliteit. Voor WSe₂-S wordt de hysterese toegeschreven aan ladingvangst aan het SiO₂-oppervlak. Toen Vg werd afgezaagd van -30 naar 0 V, maakt de negatieve Vg de WSe₂ gevuld met gaten en drijft een aantal gaten in het SiO₂ (zie Fig. 2b). De opgevangen gaten in SiO₂ genereren een positieve lokale gate, d.w.z. IG, die de WSe₂-geleidbaarheid op zijn beurt moduleert (zwakke depletie-effect). Daarom verschijnt het ladingsneutraliteitspunt van Vg rond -5 V. Op dezelfde manier, toen Vg werd afgezaagd van 30 naar 0 V, maakt de positieve Vg de WSe₂ gevuld met elektronen en drijft ook een aantal elektronen in het SiO₂ (zie Fig. 2c). De opgevangen elektronen in SiO₂ genereren een negatieve IG om de WSe₂-geleidbaarheid te moduleren (hetzelfde zwakke depletie-effect). Dus het ladingsneutraliteitspunt van Vg verschijnt rond 5 V. Voor WSe₂-h remt de h-BN-vlok de ladingsdrageroverdracht tussen WSe₂ en SiO₂ onder Vg-modulatie. Dit is de reden voor de niet-duidelijke hysterese in de WSe₂-h-curve. Daarom kan een in-plane homojunction eenvoudig worden gevormd door gebruik te maken van de IG.

Figuur 3a toont de Id-Vd-curven van het apparaat onder donker- en lichtcondities bij Vg = 0 V. De bron-drain-spanning wordt toegepast op elektroden E2 en E3 (zie de inset). Het is te zien dat de kortsluitstromen (bij Vd = 0 V) toenemen met de incidentestraling, wat een PV-effect aangeeft. Interessant genoeg tonen de curven ook PC-kenmerken bij Vd = ±1 V. Voor de eerste worden de fotostromen toegeschreven aan de homojunction. Zoals getoond in Fig. 3b, hoewel Vd en Vg op 0 V stonden, vormen een paar al opgevangen gaten in SiO₂ een kleine positieve IG om WSe₂-S te moduleren. Dus de n⁻-type WSe₂-S en intrinsieke WSe₂-h (zonder het effect van IG door isolatie door h-BN-vlok) vormen een in-plane homojunction. Bij verlichting worden de foto-gegenereerde elektronen-gaatparen gescheiden door het ingebouwde veld van de homojunction. Hoewel Id-Vd-curven PV-kenmerken goed vertonen bij nul-bias, toonde de homojunction geen gelijkrichtend gedrag, misschien door het relatief zwakke ingebouwde veld vergeleken met de extern toegepaste Vd. Voor het laatste reageert het hele WSe₂-vlok als fotoconductor op het lichtsignaal bij hoge bias. De foto-gegenereerde ladingsdragers worden naar de elektroden gedreven door Vd. Daarom is de fotoresponsie in Fig. 3a het resultaat van het synergistische effect van PV- en PC-modus. De responsiviteiten als functie van de lichtkracht voor verschillende Vd worden samengevat in Fig. 3c, gegeven door R = Iph/(P·A), waarbij Iph de fotostroom is, P de vermogensintensiteit, en A het effectieve fotogevoelige oppervlak van de detector. Tijdens de berekening is het effectieve fotogevoelige oppervlak, d.w.z. het WSe₂-deel tussen E2 en E3, 115,75 µm². Responsiviteiten van 1,07 A/W en 2,96 A/W worden verkregen voor Vd van 0 V en 1 V respectievelijk. De specifieke detectiviteit (D*) als belangrijke parameter bepaalt het vermogen van een fotodetector om op een zwak lichtsignaal te reageren. Aannemend dat de schotruis van de donkerstroom de belangrijkste bijdrage is, kan D* worden gedefinieerd als D* = R·A¹ᐟ²/(2e·Idark)¹ᐟ², waarbij R de responsiviteit is, A het effectieve fotogevoelige oppervlak, e de elektronische lading, en Idark de donkerstroom. Dankzij de extreem lage Idark worden D* van 3,3 × 10¹² Jones (1 Jones = 1 cm·Hz¹ᐟ²/W) en 1,78 × 10¹¹ Jones bereikt voor Vd van 0 V en 1 V respectievelijk. Bovendien is de reactietijd als een sleutelprestatie-indicator bestudeerd. Zoals getoond in Fig. 3d, zijn een hoge en lage toestand verkregen bij Vd = 0 V met lichtmodulatie. De transiënte fotoresponsie vertoont zeer stabiele en reproduceerbare kenmerken. Figuur 3e geeft een enkele modulatiecyclus van de temporele responsie. De opstijgtijd (tr), gedefinieerd als de tijd nodig voor de stroom om te stijgen van 10% Ipeak naar 90% Ipeak, werd ~106 µs gevonden, en de dalingtijd (tf), analoog gedefinieerd, werd ~91 µs gevonden. Figuur S1 toont de temporele responsie van het apparaat verkregen bij Vd = 1 V. tr en tf werden ~105 µs en ~101 µs respectievelijk gevonden. Tabel 1 vat de gerapporteerde WSe₂-homojunction gevormd door verschillende methoden samen. Ons apparaat heeft een hoge D*, vergelijkbare R en relatief snelle reactiesnelheid. Bovendien presenteert Figuur S2 de fotoresponsie-kenmerken van de andere drie apparaten. Duidelijke PV- en PC-stromen kunnen worden waargenomen bij nul- en hoge bias respectievelijk. De detectiviteit van alle WSe₂-homojunctions is hoger dan 10¹² Jones, en de reactietijd is iets meer dan 100 µs, wat bewijst dat onze apparaten de hoge prestaties van fotodetectie goed kunnen herhalen.

Figuur 4a en b tonen de Id-Vd-kenmerken van WSe₂-h en WSe₂-S apart. De curven van zowel WSe₂-h als WSe₂-S vertonen PC-eigenschappen, en er is geen fotostroom bij nul-bias. Feitelijk zou Ti/WSe₂/Ti een metaal/halfgeleider/metaal-structuur moeten vormen die twee Schottky-junctions met tegenovergestelde ingebouwde velden bevat. Dus de Id-Vd-curven zouden het nulpunt moeten kruisen en PC-gedrag vertonen. In ons geval, door de verschillende werkafstrijkingsenergieën van WSe₂-h en WSe₂-S, zijn er twee asymmetrische Schottky-contacten, d.w.z. E2/WSe₂-S en E3/WSe₂-h, zoals getoond in Fig. 4c. Bij nul-bias is de richting van de netto fotostromen afkomstig van de Schottky-junctions tegengesteld aan die in de homojunction, en het experimentele resultaat in Fig. 3a is consistent met het laatste. Daarom is de homojunction gevormd tussen WSe₂-h en WSe₂-S de reden voor de kortsluitfotostromen.

Om verder aan te tonen dat de fotoresponsie bij nul-bias toegeschreven wordt aan de homojunction, werden de output-eigenschappen onderzocht door de Id-Vd-curven van het apparaat te meten met de bron-drain-spanning toegepast op elektroden E1 en E4. Zoals getoond in Figuur S3a, vertonen de curven, hetzelfde als de situatie in Fig. 3a, ook PV- en PC-kenmerken. Zoals hierboven besproken, voor de eerste worden de fotostromen toegeschreven aan het ingebouwde veld van de in-plane homojunction gevormd tussen WSe₂-S en WSe₂-h. Voor de laatste worden de fotostromen toegeschreven aan de verzameling van foto-gegenereerde ladingsdragers door de extern toegepaste Vd. De responsiviteiten als functie van de lichtkracht voor verschillende Vd worden samengevat in Figuur S3b. De responsiviteiten (detectiviteiten) van 0,51 A/W (2,21 × 10¹² Jones) en 3,55 A/W (5,54 × 10¹² Jones) worden verkregen voor Vd van 0 V en 1 V respectievelijk. Tijdens de berekening is het effectieve fotogevoelige oppervlak, d.w.z. het WSe₂-deel tussen E1 en E4, 519,4 µm². De reactietijd gemeten bij nul-bias wordt getoond in Figuur S3c en 3d, waarin de opstijgtijd 289 µs is en de dalingtijd 281 µs. Voor Vd van 1 V (Figuur S3e en 3f) zijn de opstijg- en dalingtijd 288 µs en 250 µs respectievelijk. De reactiesnelheid is iets langzamer dan die gemeten tussen elektroden E2 en E3, omdat het relatief lange geleidingskanaal de fotoladingsdrager-transmissieafstand en de kans op interactie tussen fotoladingsdragers en defecten vergroot.

Conclusie

Samengevat, we hebben een in-plane WSe₂-homojunction gedemonstreerd door elektrisch een deel van de WSe₂-vlok te tunen via interface-gating. Vergeleken met bestaande benaderingen zoals chemische doping en electrostatische gating door gebruik te maken van twee gate-biassen, geeft dit ontwerp een eenvoudigere route om een WSe₂-homojunction te realiseren. Bij verlichting produceert het apparaat duidelijke kortsluitfotostromen met een detectiviteit van 3,3 × 10¹² Jones. Bij hoge bias vertoont het apparaat fotoconductieve kenmerken en genereert het fotostromen met een detectiviteit van 1,78 × 10¹¹ Jones. Een reactietijd van zo snel als 106 µs wordt ook tegelijkertijd verkregen. Onze studie biedt een efficiënte en betrouwbare weg voor de ontwikkeling van hoogpresterende WSe₂-gebaseerde fotodetectoren.

Methoden

Zowel WSe₂ als h-BN bulk materialen zijn gekocht van Shanghai Onway Technology Co., Ltd. Eerst werden de h-BN en WSe₂ vlokken mechanisch geëxfolieerd op een p⁺-Si/SiO₂ (300 nm) substraat en een poly-dimetylsiloxane (PDMS) laag respectievelijk. Vervolgens werd een micromanipulator gebruikt om de WSe₂-vlok, die aan PDMS gehecht is, op de doel-h-BN-vlok te plaatsen via de microscopie om de positie te lokaliseren. Een deel van de WSe₂-vlok overlapt de h-BN-vlok. Ten slotte werd de WSe₂-vlok losgemaakt van PDMS door het substraat te verwarmen. De elektroden (Ti/Au) zijn bereid met elektronenbundel-lithografie, metallisatie en het lift-off-proces. Fotoresponsiemetingen zijn uitgevoerd met een Agilent B1500 halfgeleider-parameteranalysator en een laserdiode met een golfengte van 637 nm.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

De data die de bevindingen van dit werk ondersteunen, zijn beschikbaar bij de corresponderende auteur op redelijke verzoek.

Afkortingen

TMDCs:

Overgangsmetaaldichalcogeniden

PV:

Fotovoltaïsch

PC:

Fotoconductief

AFM:

Atoomkrachtmicroscopie

IG:

Interface-gate

PDMS:

Poly-dimetylsiloxane