De fotodetectoren gebaseerd op laterale monolaag MoS2/WS2 heterojuncties

Resultaten en discussie

Figuur 1a toont het optische beeld van de door CVD gegroeide laterale monolaag heterostructuur, geïllustreerd door het optische contrast. De overeenkomstige Raman-spectra verkregen uit de verschillende posities gemarkeerd met 1 en 2 in Fig. 1a bevestigen de configuratie van de binnenste MoS₂ (385,5 cm ⁻¹ en 405,3 cm ⁻¹ ) en buitenste WS₂ (351,5 cm ⁻¹ en 416,5 cm ⁻¹ ) in Afb. 1b [30]. Hoge kristalkwaliteit van MoS₂ en WS₂ worden geïmpliceerd omdat er geen oxidatiepiek werd waargenomen in de overeenkomstige Raman-spectra [37]. Vooral de eigen-pieken van MoS₂ en WS₂ beide werden waargenomen in de gestikte interface gemarkeerd met 3 in figuur 1a, wat aangeeft dat er zich twee materialen vormen op de interface. Bovendien is het frequentieverschil tussen de E_2g modus en A_1g modus van MoS₂ is 19,8 cm ⁻¹ , wat een monolaag suggereert [30, 38, 39]. Bij het overwegen van WS₂ , de piekintensiteitsverhouding van longitudinale akoestische modus (2LA) [40] bij 352 cm ⁻¹ tot A_1g modus, d.w.z. I_2LA /I_A1g , is nauwkeuriger om de dikte te verifiëren dan frequentieverschil [14]. De verhouding werd geschat op ~ 2, in overeenstemming met monolaag WS₂ gemeten door 532 nm laser [14]. De duidelijke roodverschuiving van E_2g modus (trilling in het vlak) kan worden waargenomen, als gevolg van het legeringseffect [41] in de laterale heterojuncties. Dit soortgelijk gedrag werd met name ook waargenomen in de verticale heterojuncties, veroorzaakt door diëlektrische afscherming en tussenlaagkoppeling [42]. Verder is het resultaat van de Raman-toewijzing in Fig. 1c met het blauwe gebied van MoS₂ en het rode gebied van WS₂ geeft de naadloze heterostructuur van hoge kwaliteit in het vlak aan [13, 43]. Afbeelding 1d, e demonstreert ook de configuratie met MoS₂ binnen en WS₂ buiten door respectievelijk PL-mapping [13]. Verschillende punten tonen verbeterde PL-intensiteiten in WS₂ regio kan worden verklaard als dragerinhomogeniteit veroorzaakt door onzuiverheden of vacatures [14]. Bovendien zijn de sterkere PL-emissies aan de interface dan de MoS₂ gebied kan worden geïnterpreteerd als de inhomogene verdeling van dragers of een hogere foto-geïnduceerde recombinatiesnelheid van dragers aan de randen [14]. Zowel Raman- als PL-mapping suggereren een scherpe en goed gestikte interface tussen MoS₂ en WS₂ [14, 44]. De dikte en oppervlaktemorfologie werden gemeten met een atomic force microscope (AFM) met trapping-modus. Merk op dat er weinig korrelgrenzen worden waargenomen die leiden tot scatting van de ladingsdrager [45] in het materiaal aan de binnenkant, maar randen die wijzen op betere elektrische transportprestaties, zoals weergegeven in Fig. 1f [14, 46]. De dikte van WS₂ buiten is ~ 0,7 nm (onder) consistent met CVD-gegroeide WS₂ monolaag eerder gerapporteerd [47], en het hoogteverschil tussen WS₂ en MoS₂ is ongeveer 0,25 nm (top), wat een monolaagse MoS₂ . impliceert [47]. Over het algemeen kunnen de bovenstaande materiaalkarakteriseringsresultaten de laterale monolaag MoS₂ . aantonen /WS₂ heterojunctie met de scherpe interface.

Resultaten van materiaalkarakterisering van de laterale monolaag MoS₂ /WS₂ heterostructuur. (a) Het optische beeld van de laterale monolaag MoS₂ /WS₂ heterojunctie. (b) Het Raman-spectrum verkregen van de site gemarkeerd met 1, 2 en 3 in (a ), respectievelijk. De afbeelding van Raman-mapping (c ), PL-afbeeldingen van MoS₂ regio (d ) en WS₂ regio (e ) uit het rood omkaderde gebied in (a ). De corresponderende balk met valse kleuren wordt onder aan (c )–(e ). (f ) Het overeenkomstige hoogteprofiel van de dwarsdoorsnede van de blauwe (tussen WS₂ en MoS₂ ) en wit (tussen WS₂ en substraat) lijnen gemarkeerd in AFM-morfologieafbeelding

Fotodetectoren werden vervaardigd met behulp van een EBL-systeem op basis van de laterale MoS₂ /WS₂ heterojunctie. Figuur 2a toont het schematische diagram (boven) van het laterale heterojunctie-apparaat en de bijbehorende type-II-banduitlijning (onder). Dienovereenkomstig worden elektronen en gaten overgedragen en opgesloten in MoS₂ en WS₂ regio via de interface, respectievelijk, het bereiken van de foto-elektrische conversie [13, 21, 24, 48]. We schrijven dit toe aan het photogating-effect, zoals een speciaal geval van fotogeleidend effect [49]. Het photogating-effect kan werken als een lokale photogate modulerende kanaalgeleiding [50]. Het optische beeld van het apparaat met het effectieve apparaatoppervlak van ~ 40 μm ² wordt beschreven in Fig. 2b met E1- en E2-elektroden als de source- en drain-elektroden. Om de heterojunctieconfiguratie te achterhalen, werd gecombineerde Raman-mapping uitgevoerd (Fig. 2c), die de kanaalmaterialen van laterale MoS₂ aangeeft. /WS₂ heterojunctie tussen de gemeten source- en drain-elektroden (E1 en E2) [28]. De blauwe, rode en donkere delen zijn MoS₂ , WS₂ en metalen elektroden, respectievelijk. Figuur 2d toont de semi-logaritmische uitgangskarakteristieken van de laterale heterojunctie onder zichtbaar licht met respectievelijk 405 nm, 520 nm en 635 nm. De inzet in Fig. 2d onthult een lineaire I-V relatie tussen het kanaal en de elektroden [51,52,53,45,556]. De lineaire I –V karakter is bevorderlijk voor het bereiken van een hoge responsiviteit, maar een slechte gevoeligheid van fotodetectoren vanwege een hoge donkerstroom [57]. Bovendien, de I _ph (d.w.z. ik _licht – Ik _donker ) van de fotodetector neemt toe tot 12,5 keer dat vóór thermische uitgloeiing, wat misschien te wijten is aan verminderde contactweerstand [46, 58], verwijdering van defecten [59] en verbeterde elektrische geleidbaarheid [60]. Afbeelding 2e geeft de fotoschakelkarakteristieken weer die worden opgewekt door de bovenstaande golflengten. De tijdelijke stroom stijgt snel wanneer het licht aan is en daalt zodra het licht uit is, wat inhoudt dat deze fotodetector kan dienen als een snelle licht-geactiveerde schakelaar [61].

Opto-elektronische kenmerken van de fotodetector. (a) Het schematisch diagram en de voorgestelde banduitlijning van de fotodetector. Het optische beeld (b ) en bijbehorende gecombineerde Raman-toewijzing (c ) van de fotodetector. E1 en E2 vertegenwoordigen de source- en drain-elektroden van het gemeten apparaat. De semi-logaritmische (d ) en lineair (inzet van (d) ) Ik –V kenmerken en de fotoschakelkenmerken (e ) van de fotodetector

De semi-logaritmische outputkarakteristieken met dezelfde golflengte maar gevarieerde laservermogensdichtheden zijn weergegeven in figuur 3a. Zoals verwacht wordt de fotostroom vergroot naarmate de laservermogensdichtheid toeneemt als gevolg van meer geïnduceerde fotogegenereerde dragers [62]. Afbeelding 3b toont de I –V krommen met dezelfde laservermogensdichtheid maar verschillende invallende golflengten (d.w.z. verschillende lichtabsorptiehoeveelheid en optische excitatie-energie). Hoewel de kortere golflengte minder fotonen bezit in vergelijking met de langere golflengte bij dezelfde laservermogensdichtheid. In dit geval neemt de gemeten transiënte stroom toe met de afname van de stralingsgolflengte. Dit kan worden veroorzaakt door de verminderde optische absorptie bij de langere golflengte [63, 64]. Figuur 3c beschrijft de tijdelijke stroom onder periodieke laserbelichting van 10 s, wat wijst op een stabiele reproduceerbare fotorespons [61]. Voor de meeste laagdimensionale fotodetectoren die worden gedomineerd door het photogating-effect, kan een beperkte responssnelheid en een hoge responsiviteit worden verkregen vanwege de verlengde overmatige levensduur van de drager [50, 65]. De stijg-/daaltijd wordt gedefinieerd als de tijd die de fotostroom nodig heeft om te stijgen/dalen van 10%/90% van de stabiele waarde tot 90%/10% [66, 67]. De relatief lange stijg-/daaltijd zou moeten worden veroorzaakt door langzame recombinatie van draaggolven, afkomstig van laserverlichting die veel defecte toestanden opwekt [68]. Daarom werd de responstijd inclusief stijgtijd en daaltijd opgeofferd door het photogating-effect vanwege de langlevende ladingvangprocessen [57]. Sommige onderzoekers hebben voorgesteld dat het hoogwaardige kanaalmateriaal, dat een soepel en kort pad kan bieden voor overdracht van draaggolven en een optimale apparaatstructuur, de responssnelheid kan verbeteren [69, 70]. Inderdaad, de verdienste van de lichtgevoelige apparaten zijn voornamelijk verantwoordelijkheid (R ) en detectiviteit (D *). R wordt berekend door de relaties van

Fotoresponsgedrag van de fotodetector. De ik –V kenmerken onder verschillende 405 nm laservermogensdichtheden (a ) en onder verschillende invallende golflengten van 5 mW/cm ² (b ). (c) De in de tijd opgeloste fotorespons opgewekt door het periodiek aan/uit schakelen van invallend licht. (d) De geëxtraheerde R (zwarte bol) als functie van laservermogensdichtheden. De aangelegde spanning voor (c –d ) is 1 V

waar P en S zijn respectievelijk laservermogensdichtheid en effectief apparaatgebied [62, 71, 72]. Afbeelding 3d toont de corresponderende waarden van R van de fotodetector onder verschillende laservermogensdichtheden. De kampioen R bereikt tot  ~ 567.6 A/W en levert daarmee de concurrerende prestatieparameter. De hoge R wordt toegeschreven aan de onderdrukte recombinatie van de fotodrager in de heterostructuur samen met elektronenvangst in de MoS₂ regio vermoedelijk [22]. De verminderde R naarmate de vermogensdichtheid van de laser toenam, werd het fotogating-effect in de fotodetector verder zichtbaar [73].

Bovendien volgen fotostroom en laservermogensdichtheid de machtswetvergelijking:

$$\mathop I\nolimits_{ph} =A\mathop P\nolimits^{\alpha }$$ (2)

waar A is een constante en 0 < α < 1. De waarde van α , verkregen door de curve van I . aan te passen _ph versus P in Fig. 4a, is gerelateerd aan het proces van het vangen, recombinatie en overdracht van dragers [74, 75]. De sublineaire relatie tussen I _ph en P suggereert verder de aanwezigheid van het photogating-effect in het apparaat [65]. De hogere waarde van α (zoals  ~ 0.73) kan worden verkregen wanneer de lagere vermogensdichtheden worden toegepast vanwege verminderde recombinatie van fotodragers en de interacties tussen dragers [75, 76]. Daarentegen kunnen hogere vermogensdichtheden resulteren in een verslechterde α-waarde van  ~ 0.55 vanwege sterkere recombinatieverliezen en meer valtoestanden [77]. De voorwaarde van de berekende D * via de vergelijking

$$\mathop D\nolimits^{*} =R\mathop {({S \mathord{\left/ {\vphantom {S {2e\mathop I\nolimits_{{{\text{dark}}}} }} } \right \kern-\nulldelimiterspace} {2e\mathop I\nolimits_{{{\text{dark}}}} }})}\nolimits^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \rechts. \kern-\nulldelimiterspace} 2}}}$$ (3)

(a) De plot van I _ph versus laservermogensdichtheden. (b) Het huidige vermogensspectrum (S _Ik ) onder verschillende frequenties. De aangelegde spanning voor (a–b ) is 1 V

is dat de fotodetectoren worden beperkt door schotruis als de belangrijkste ruisbron [49, 66, 78]. Om D . verder te evalueren * nauwkeuriger gezegd, de ruisstroom verkregen in figuur 4b wordt gemeten onder verschillende frequenties [74]. Afbeelding 4b toont de typische 1/f-ruis [79] in onze fotodetectoren, die een aanzienlijke belemmering vormt voor de halfgeleiderindustrie door nieuwe materialen. Dit soort ruis wordt voornamelijk veroorzaakt door de geladen onzuiverheden en insluitingsplaatsen in het geleidende kanaal [57, 80]. Een hogere materiaalkwaliteit en een kleine structurele defectdichtheid zijn gewenst voor het verminderen van de 1/f-ruis [81]. Volgens de formule van

$$\mathop D\nolimits^{*} =R{{\mathop {(S\Delta f)}\nolimits^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} 2}}} } \mathord{\left/ {\vphantom {{\mathop {(S\Delta f)}\nolimits^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \rechts. \kern-\nulldelimiterspace} 2}}} } {\mathop I\nolimits_{{{\text{noise}}}} }}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} {\mathop I\nolimits_{{{\text{noise}}}} }}$$ (4)

waar Δf en ik _ruis zijn meetbandbreedte en ruisstroom [79], de detectiviteit van de fotodetector is ongeveer 7.17 × 10 ¹¹ Jones. Tabel 1 heeft enkele geselecteerde representatieve fotodetectoren vergeleken met overeenkomstige fotoresponsprestaties op basis van 2D-materialen. De relatief hoge R en D * van onze fotodetectoren vertonen een groot potentieel in opto-elektronische apparaten.

Conclusies

Samenvattend werd een krachtige fotodetector ontwikkeld op basis van de laterale monolaag MoS₂ /WS₂ heterojunctie. De grootte van de kanaalmaterialen die zijn gekweekt door de eenstaps vloeistoffase CVD-methode, reikt tot op millimeterschaal. Bovendien werden de hoogwaardige kanaalmaterialen met een goede uniformiteit en scherpe interface onderzocht door systematische materiaalkarakteriseringen en daaropvolgende apparaatmetingen. In het bijzonder hoge responsiviteit van 567,6 A/W en detectiviteit van  ~ 10 ¹¹ Jones worden bereikt voor de fotodetectoren die worden toegeschreven aan het photogating-effect. De prestaties van de voorgestelde laterale MoS₂ /WS₂ heterojunctie fotodetectoren is beter dan of vergelijkbaar met het gerapporteerde werk [24, 62, 76, 78, 86, 97, 98]. Bovendien veronderstellen we dat de ongewenste 1/f-ruis die voortkomt uit het vangen/ontvangen van ladingsdragers verder kan worden verminderd door hoogwaardig en defectloos kanaalmateriaal. De gemakkelijke eenstaps CVD-groei in vloeistoffase en uitstekende opto-elektronische prestaties van de fotodetectoren kunnen aanleiding geven tot verder onderzoek naar opto-elektronische apparaten op basis van laterale heterostructuren.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets die de conclusies van dit artikel ondersteunen, zijn in het artikel opgenomen.