Interface-geïnduceerde WSe2 In-plane Homojunction voor hoogwaardige fotodetectie

Resultaten en discussie

Figuur 1a toont een schema van de in-plane WSe₂ homojunctie. Het is te zien dat een deel van WSe₂ vlok wordt op h-BN vlok geplaatst (WSe₂ -h) en het andere deel maakt contact met de Si/SiO₂ substraat rechtstreeks (WSe₂ -S). De functie van h-BN is om de interfacepoort (IG) van de Si/SiO₂ te isoleren substraat op de WSe₂ -H. Dus de vorming van homojunctie tussen WSe₂ -h en WSe₂ -S vertrouwt voornamelijk op de IG die de polariteit van WSe₂ . moduleert -S. De IG wordt geproduceerd door de opgesloten ladingen op de SiO₂ oppervlakte. Dit zal hieronder in detail worden besproken. Figuur 1b geeft het optische beeld van het apparaat weer. Vier elektroden (E1-E4, Ti/Au) werden geprepareerd door elektronenstraallithografie, metallisatie en het lift-off-proces. De dikte van materialen wordt gekenmerkt door atomaire krachtmicroscoop (AFM) (zie figuur 1c). De hoogte van WSe₂ (h-BN) vlok in direct contact met de Si/SiO₂ substraat (witte stippellijnen) werd gemeten als 65 (23) nm (zie Fig. 1d, e). Het is te zien dat er een helling is in plaats van een scherpe stap in het hoogteprofiel tussen de WSe₂ (h-BN) en de Si/SiO₂ substraat. Dit kan te wijten zijn aan de resterende fotoresist aan de rand van het materiaal. Figuur 1f toont de Raman-spectra van WSe₂ en h-BN-vlokken. Voor de WSe₂ , de eerste bestelling E_2g en A_1g Raman-modi worden duidelijk onderscheiden ~ 250 cm ⁻¹ , wat suggereert dat de WSe₂ heeft een meerlaagse morfologie [32, 33]. Voor de h-BN, de Raman-piek van E_2g modus bij ~ 1370 cm ⁻¹ is geobserveerd. Vanwege de grote bandgap van h-BN is het Raman-signaal zwak vergeleken met dat in WSe₂ [34].

Schema van een in-plane WSe₂ homojunctie. een Opbouw van het apparaat. b Optisch beeld van het apparaat. Onderdeel van WSe₂ maakt contact met h-BN-vlokken terwijl het andere deel contact maakt met Si/SiO₂ substraat. c AFM-afbeelding van het apparaat. De witte stippellijnen geven de posities aan waar de dikte van h-BN (links) en WSe₂ (rechts) worden geëxtraheerd. Voor het kanaal tussen E1 en E2 is de gemiddelde breedte (lengte) ~ 19,15 (~ 6,33) m. Voor het kanaal tussen E2 en E3 is de gemiddelde breedte (lengte) ~ 23,15 (~ 5) m. Voor het kanaal tussen E3 en E4 is de gemiddelde breedte (lengte) ~ 22 (~ 5,38) m. d , e Hoogteprofielen van WSe₂ en h-BN-vlokken. v Raman-spectra van WSe₂ en h-BN-vlokken met 532 nm laserexcitatie

Het effect van substraat op WSe₂ . onderzoeken , overdrachtskenmerken van WSe₂ -S en WSe₂ -h werden afzonderlijk bestudeerd. Zoals getoond in Fig. 2a, vertonen beide overdrachtscurven bipolair 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 geeft een relatief grote transconductantie aan, die evenredig is met de mobiliteit van de drager. Voor WSe₂ -S, de hysterese wordt toegeschreven aan de ladingsvangst op de SiO₂ oppervlak [35,36,37,38]. Wanneer V _g werd geveegd van − 30 naar 0 V, de negatieve V _g maakt de WSe₂ gevuld met gaten en drijft enkele gaten in de SiO₂ (zie afb. 2b). De opgesloten gaten in SiO₂ genereer een positieve lokale poort, d.w.z. IG, om de WSe₂ te moduleren geleiding in ruil (zwak uitputtingseffect). Daarom is het ladingsneutraliteitspunt van V _g verschijnt rond − 5 V. Evenzo, wanneer V _g werd geveegd van 30 naar 0 V, de positieve V _g maakt de WSe₂ bevolkt met elektronen en drijft ook enkele elektronen in de SiO₂ (zie afb. 2c). De gevangen elektronen in SiO₂ genereer een negatieve IG om de WSe₂ . te moduleren geleiding in ruil (hetzelfde zwakke uitputtingseffect). Dus het ladingsneutraliteitspunt van V _g verschijnt rond 5 V. Voor WSe₂ -h, de h-BN-vlok remt de drageroverdracht tussen WSe₂ en SiO₂ onder V _g modulatie. Dit is de reden voor de niet voor de hand liggende hysterese in de WSe₂ -h-curve. Daarom kan een homojunctie in het vlak worden gevormd door eenvoudigweg gebruik te maken van de IG.

Overdrachtskenmerken. een Ik _d -V _g krommen van WSe₂ -S (zwarte lijn) en WSe₂ -h (rode lijn). De zwaairichting van V _g wordt aangegeven door de pijlen. b , c Fysieke verklaring voor het hysterese-fenomeen. De pijlen geven de richting aan van het elektrisch veld geïnduceerd door V _g . De rode en blauwe bollen stellen respectievelijk gaten en elektronen voor

Afbeelding 3a toont de I _d -V _d rondingen van het apparaat onder donkere en lichte omstandigheden bij V _g =0 V De source-drain-spanning wordt aangelegd op de elektroden E2 en E3 (zie inzet). Het is te zien dat de kortsluitstromen (bij V _d =0 V) toenemen met het invallende vermogen, wat wijst op een PV-effect. Interessant is dat de curven ook pc-kenmerken vertonen bij V _d =± 1  V. Voor de eerste worden de fotostromen toegeschreven aan de homojunctie. Zoals getoond in Fig. 3b, hoewel V _d en V _g waren ingesteld op 0 V, een paar al opgesloten gaten in SiO₂ vorm een ​​kleine positieve IG om de WSe₂ . te moduleren -S. Dus de n ^- -type WSe₂ -S en intrinsieke Wse₂ -h (zonder het effect van IG vanwege de isolatie door h-BN-vlok) vormen een homojunctie in het vlak. Onder belichting zullen de foto-geëxciteerde elektron-gat-paren worden gescheiden door het ingebouwde veld van de homojunctie. Hoewel ik _d -V _d krommen geven de PV-karakteristiek goed weer bij nulafwijking, de homojunctie vertoonde geen rectificerend gedrag, misschien vanwege het relatief zwakke ingebouwde veld in vergelijking met de extern aangelegde V _d . Voor de laatste, de hele WSe₂ vlok als een fotogeleider reageert het lichtsignaal met een hoge bias. De foto-geëxciteerde dragers worden door V . naar de elektroden gestuurd _d . Daarom is de fotorespons in figuur 3a het resultaat van een synergetisch effect van PV- en pc-modi. De verantwoordelijkheden als functie van het lichtvermogen voor verschillende V _d zijn samengevat in Fig. 3c, gegeven door R =Ik _ph /PA , waar ik _ph is de fotostroom, P is de stroomintensiteit, en A is het effectieve lichtgevoelige gebied van de detector [39, 40]. Tijdens de berekening wordt het effectieve lichtgevoelige gebied, d.w.z. de WSe₂ deel tussen E2 en E3, is 115,75 μm ² . De verantwoordelijkheden van 1.07 A W ⁻¹ en 2,96 A W ⁻¹ worden verkregen voor V _d van respectievelijk 0 V en 1 V. De specifieke detectiviteit (D ^* ) als een belangrijke parameter bepaalt het vermogen van een fotodetector om te reageren op een zwak lichtsignaal. Ervan uitgaande dat het schotgeluid van de donkere stroom de belangrijkste bijdrage is, D ^* kan worden gedefinieerd als D ^∗ =RA ^1/2 /(2eI _donker ) ^1/2 , waar R is de responsiviteit, A is het effectieve lichtgevoelige gebied, e is de elektronenlading, en I _donker is de donkere stroom [41, 42]. Profiteren van de extreem lage I _donker , D ^* van 3,3 × 10 ¹² jones (1 jones =1 cm Hz ^1/2 W ⁻¹ ) en 1,78 × 10 ¹¹ jones worden behaald voor V _d van respectievelijk 0 V en 1 V. Bovendien is de responstijd als een belangrijk cijfer van verdienste bestudeerd. Zoals getoond in Fig. 3d, een hoge en een lage stroomstatus verkregen bij V _d =0 V zijn verkregen met de lichtmodulatie. De voorbijgaande fotorespons vertoont zeer stabiele en reproduceerbare kenmerken. Figuur 3e geeft een enkele modulatiecyclus van tijdelijke respons. De rijstijd (t _r ), gedefinieerd als de tijd die nodig is om de stroom te laten toenemen van 10% I _piek tot 90% ik _piek , bleek ~ 106 μs te zijn, en de valtijd (t _f ), analoog gedefinieerd, bleek ~91 μs te zijn. Afbeelding S1 toont de tijdelijke respons van het apparaat verkregen bij V _d =1 V. t _r en t _f bleken respectievelijk ~105 μs en ~101 μs te zijn. Tabel 1 vat de gerapporteerde WSe₂ . samen homojunctie gevormd door verschillende methoden. Het is duidelijk dat het apparaat in ons werk een hoge D . heeft ^* , vergelijkbare R , en relatief hoge reactiesnelheid. Bovendien toont figuur S2 de fotoresponskenmerken van de andere drie apparaten. Verschillende PV- en PC-stromen kunnen worden waargenomen bij respectievelijk nul en hoge bias. De detectiviteit van alle WSe₂ homojunctions is hoger dan 10 ¹² jones, en de responstijd is iets meer dan 100 μs, wat bewijst dat onze apparaten de hoogwaardige fotodetectie zeer goed kunnen herhalen.

Fotoresponsprestaties van de homojunctie verkregen tussen E2 en E3. een Afvoerstroom als functie van de bron-afvoerspanning toegepast op de elektroden E2 en E3 (zie de inzet) met variabele lichtsterkte (637 nm). b Vormingsmechanisme van de homojunctie bij V _g =0 V en V _d =0 V. c Responsiviteit als functie van lichtkracht. d , e Tijdelijke respons van het apparaat verkregen bij V _d =0 V voor 637 nm verlichting. Er werd een oscilloscoop gebruikt om de tijdsafhankelijkheid van de stroom te controleren

Afbeelding 4a en b tonen de I _d -V _d kenmerken van WSe₂ -h en WSe₂ -S apart. De curven van beide WSe₂ -h en WSe₂ -S vertoont pc-eigenschap en er is geen fotostroom bij nulafwijking. In feite, Ti/WSe₂ /Ti zou een metaal/halfgeleider/metaalstructuur moeten vormen die twee Schottky-overgangen bevat met tegenovergesteld ingebouwd veld. Dus de ik _d -V _d curven moeten het nulpunt overschrijden en pc-gedrag vertonen. In ons geval, vanwege de verschillende werkfuncties van WSe₂ -h en WSe₂ -S, er zijn 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-overgangen tegengesteld aan die in de homojunctie, en het experimentresultaat dat wordt getoond in Fig. 3a is consistent met de laatste. Daarom is de homojunctie gevormd tussen WSe₂ -h en WSe₂ -S is de reden voor de kortsluiting fotostromen.

Effect van Schottky-junctie op fotorespons. een Ik _d -V _d krommen van WSe₂ -h met source-drain-spanning toegepast op elektroden E3 en E4 (zie de inzet) onder lichte verlichting (637 nm). b Ik _d -V _d krommen van WSe₂ -S met source-drain-spanning toegepast op elektroden E1 en E2 (zie de inzet) onder lichte verlichting (637 nm). c Schematisch banddiagram van het homojunctieapparaat met asymmetrische Schottky-contacten, d.w.z. E2/WSe₂ -S en E3/WSe₂ -h, zonder bias

Om verder aan te tonen dat de fotorespons bij nul bias wordt toegeschreven aan de homojunctie, werden de output-eigenschappen onderzocht door het meten van de I _d -V _d curven van het apparaat met de source-drain-spanning toegepast op de elektroden E1 en E4. Zoals weergegeven in figuur S3a, vertonen de curven, hetzelfde als de situatie in figuur 3a, ook de PV- en pc-kenmerken. Zoals hierboven besproken, worden de fotostromen voor de eerste toegeschreven aan het ingebouwde veld van homojunctie in het vlak gevormd tussen WSe₂ -S en WSe₂ -H. Voor de laatste worden de fotostromen toegeschreven aan de verzameling van foto-geëxciteerde dragers door de extern toegepaste V _d . De verantwoordelijkheden als functie van het lichtvermogen voor verschillende V _d zijn samengevat in figuur S3b. De responsiviteit (detectiviteiten) van 0,51 A W ⁻¹ (2.21 × 10 ¹² jones) en 3.55 A W ⁻¹ (5.54 × 10 ¹² jones) worden verkregen voor V _d van respectievelijk 0 V en 1 V. Tijdens de berekening wordt het effectieve lichtgevoelige gebied, d.w.z. de WSe₂ deel tussen E1 en E4, is 519,4 μm ² . De responstijd gemeten bij nul bias wordt getoond in figuur S3c en 3d, waarin de stijgtijd 289 μs is en de daaltijd 281 μs. Voor de V _d van 1 V (Figuur S3e en 3f), zijn de stijgende en dalende tijd respectievelijk 278 μs en 250 μs. De reactiesnelheid is iets langzamer dan die gemeten tussen elektroden E2 en E3, omdat het relatief lange geleidende kanaal de transmissieafstand van de fotodrager vergroot en de kans op interactie tussen fotodragers en defecten vergroot.