Hoogpresterende Fotodetectoren met Laterale Monolaag MoS2/WS2-Heteroovergangen

Samenvatting

Monolaag overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's) tonen veelbelovend potentieel voor de volgende generatie opto-elektronica dankzij hun uitstekende lichtopvang- en fotodetectorcapaciteiten. Fotodetectoren, als cruciale componenten van sensor-, beeldvormings- en communicatiesystemen, zijn in staat om optische signalen om te zetten in elektrische signalen. In dit werk zijn grootschalige, hoogwaardige laterale monolaag MoS₂/WS₂ heteroovergangen gesynthetiseerd via een eenstaps vloeistof-fase chemische dampdepositie (CVD). Systematische karakterisatie bewijst goede uniformiteit en scherpe interfaces van de kanaalmaterialen. Als gevolg leveren de fotodetectoren, versterkt door het fotogating-effect, concurrerende prestaties, met een responsiviteit van ~567,6 A/W en een detectiviteit van ~7,17 × 10¹¹ Jones. Bovendien is het 1/f-ruis, verkregen uit het stroomspectrum, niet gunstig voor de ontwikkeling van fotodetectoren en wordt toegeschreven aan ladingdragervanging/loslaten. Dit werk kan bijdragen aan efficiënte opto-elektronische apparaten gebaseerd op laterale monolaag TMD-heterostructuren.

Inleiding

Gegeven de bijna halve biljoen dollar grote markt voor halfgeleiderchips, zijn tweedimensionale (2D) materialen momenteel een van de meest haalbare en veelbelovende kandidaten voor de verlenging van de wet van Moore. Als vertegenwoordiger van de 2D-familie zijn overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's) intensief bestudeerd vanwege hun unieke opto-elektronische eigenschappen en potentiële toepassingen in fotodetectoren en lichtemitterende apparaten. De afstelbare bandkloof, hoge ladingsdragermobiliteit, hoge optische absorptie en atomaire dunne dikte maken TMD's geschikte kanaalmaterialen voor fotodetectoren en spelen een cruciale rol in opto-elektronische of elektronische apparaten. Hoewel kristaldefecten in TMD's die leiden tot het ladingsdragervang-effect, hoge fotogevoeligheid kunnen opleveren, leiden ze onvermijdelijk tot trage reactiesnelheid. Daarnaast stellen sommige onderzoekers plasmonische versterking voor om de beperkte lichtbenutting van 2D-materialen te verbeteren. Door respectievelijke superioriteiten te combineren en uniek elektronisch transport aan de overgang te tonen, worden TMD-heterostructuren, zowel lateraal gestikt als verticaal gestapeld, gepresenteerd. Dergelijke heterostructuren kunnen intrinsieke elektronische eigenschappen afstemmen en de optische absorptie verbeteren, wat leidt tot opkomende en ontwerpbare kenmerken. Bijvoorbeeld, het ingebouwde elektrische veld of het energieniveaoverschil geïnduceerd door TMD-heterostructuren zou fotoladingsdragerscheiding moeten versnellen, fotoladingsdragersrecombinatie onderdrukken en de donkerstroom verlagen, wat gunstig is voor hoogpresterende fotodetector. Bovendien heeft Wang's groep onderdrukte elektron-gat (e-g) recombinatie in laterale heterostructuren gecertificeerd. Eerder gerapporteerde laterale heterostructuren toonden hogere ladingsdragermobiliteit, terwijl verticale heterostructuren meestal de fotoactieve oppervlakte vergrootten en/of de stroomdrijving per oppervlakte versterkten. Daarnaast vertoonden de in-plane interfaces van laterale heterostructuren sterkere emissie-intensiteit dan beide kanten. Echter, onderdrukte fotoluminescentie (PL) emissie kon worden waargenomen aan de verticale hetero-interface vanwege de verminderde directe radiatieve recombinatie. Daarnaast maken zowel laterale als verticale TMD-heterostructuren het mogelijk om nieuwe exitonische overgangen te creëren.

Wat betreft kristalroosterkwaliteit, kunnen MoX₂/WX₂ (X = S, Se of Te) laterale heteroovergangen nauwelijks structurele defecten induceren vanwege hun vergelijkbare honingraat-achtige configuratie en roosterparameters. Bovendien vormt dit type heteroovergang over het algemeen een type-II banduitlijning, wat wenselijk is voor hoge-efficiënte fotodetector. Volgens eerdere studies vertoont de laterale monolaag MoS₂/WS₂ heteroovergang een type-II banduitlijning met het valentiebandmaximum (VBM) gelokaliseerd in WS₂ en het geleidingsbandminimum (CBM) in MoS₂. Bijvoorbeeld, Wu's groep rapporteerde dat het VBM en CBM van MoS₂ respectievelijk 0,39 eV en 0,35 eV lager liggen dan die van WS₂. Verder kan het bandoffset tussen MoS₂ en WS₂ dat de banduitlijning bepaalt, worden geschat via hun verschillende d-orbitaalposities van Mo en W. Verticale heterostructuren kunnen worden bereid door mechanische overdracht en stapeling, terwijl laterale enkel via groeimethoden bereikt kunnen worden. Verder kunnen verticale heterostructuren, zoals eerder gerapporteerd, niet precies gecontroleerd worden en zijn de interfaces tussen lagen gemakkelijk gecontamineerd. Gelukkig kunnen laterale heterostructuren worden gesynthetiseerd via een eenstapsmethode om contaminatie te verminderen. Tegenwoordig blijft de groei van grootschalige, hoogwaardige laterale monolaag TMD-heterostructuren een grote uitdaging. Daarom zijn hoogwaardige en grootschalige laterale TMD-heteroovergangen van belang en gewenst voor de ontwikkeling van hoogpresterende fotodetectoren.

Hier worden laterale monolaag MoS₂/WS₂ heteroovergangen met scherpe interfaces en goede uniformiteit bereid via een eenstaps vloeistof-fase CVD-methode en worden fotodetectoren geproduceerd op basis van deze heterostructuren. De gepresenteerde fotodetectoren leveren een hoge responsiviteit en detectiviteit van respectievelijk 567,6 A/W en 7,17 × 10¹¹ Jones. Dit werk demonstreert dat laterale monolaag MoS₂/WS₂ heteroovergangen gekwalificeerde kandidaten kunnen zijn voor toekomstige opto-elektronische toepassingen.

Methoden

Heterostructuur Synthese

0,05 g natriumwolfraat, 0,5 g ammoniummolybdaat en 0,12 g NaOH (of KOH) deeltjes werden opgelost in 10 mL gedemineraliseerd (DI) water om de precursor-oplossing te verkrijgen. De groeisubstraten (saffier) werden behandeld met piraanahoeplos om de oppervlaktehydrofiliciteit te verbeteren, waarna de precursor-oplossing gelijkmatig op de schone saffiersubstraten werd gecentrifugeerd. Daarna werden de met precursor bedekte saffier en zwavel respectievelijk in het verwarmingscentrum en stroomopwaarts van een kwartsbuis geplaatst. Het verwarmingscentrum werd in 40 minuten op 700 °C gebracht en 10 minuten gehandhaafd om MoS₂-OH bilagen (d.w.z. MoS₂ monolaag en een enkele laag OH⁻ ionen) te groeien. Ten slotte werd het draggas gewijzigd van Ar naar Ar/H₂ (5% H₂), en het verwarmingscentrum binnen 10 minuten op 780 °C verhit en 10 minuten gehandhaafd om WS₂ te laten groeien langs de randen van de MoS₂–OH bilagen, waardoor MoS₂/WS₂ laterale heterostructuren ontstaan. Meer details over de heterostructuursynthese zijn te vinden in eerdere werk [30].

Overdrachtsproces

We gebruikten een polystyreen (PS)-geassisteerde methode om WS₂/MoS₂ laterale heterostructuren van saffier naar SiO₂/Si substraten over te dragen. De PS-oplossing (9 g PS opgelost in 100 mL tolueen) werd eerst met 3500 rpm gedurende 60 s op de heterostructuren gecentrifugeerd, waarna het monster 10 minuten bij 90 °C werd gebakken om tolueen te verwijderen. Daarna werd de WS₂/MoS₂–PS-film verkregen door een waterdruppel, en de zwevende film werd met een schone SiO₂/Si-substraat opgevist. Het WS₂/MoS₂–PS-SiO₂/Si-monster werd 1 uur bij 80 °C en daarna 30 minuten bij 150 °C gebakken om het polymere te spreiden en mogelijke rimpels te elimineren. Ten slotte werd de PS-film verwijderd door meerdere keren met tolueen af te spoelen om WS₂/MoS₂-SiO₂/Si-monsters te verkrijgen.

Apparaatfabrikatie

Standaard elektronenbundel-lithografie (EBL) werd gebruikt om markeringen en elektrodepatronen te definiëren op de als-groeide laterale monolaag MoS₂/WS₂ heteroovergangen. De Ti/Au-elektroden (10 nm/100 nm) werden op het kanaal gedampt en in aceton afgelost. Het apparaat werd thermisch geanneald bij 400 °C gedurende 2 uur in vacuüm en snel afgedoeld tot kamertemperatuur.

Materiaal Karakterisatie

Optische afbeeldingen werden vastgelegd met een OLYMPUS-microscoop (LV100ND). Raman-, PL- en AFM-kaartafbeeldingen werden gemeten met een Raman-AFM-confocale spectrometer (Witec, alpha300 RA) met een 532 nm laser.

Apparaatkarakterisatie

De opto-elektronische eigenschappen van de fotodetectoren werden gemeten met een SemiProbe-proefstation en een halfgeleiderparameteranalysator (Keithley 4200) en Platform Design Automation (PDA, FS-Pro). Verschillende golflengte lasers als lichtbronnen werden gebruikt om de fotorespons van de fotodetectoren te meten. Verschillende laserdichtheden werden bepaald met een irradiatiemeter.

Resultaten en Discussie

Figuur 1a toont de optische afbeelding van de CVD-gegroeide laterale monolaag heterostructuur, geïllustreerd door de optische contrast. De bijbehorende Raman-spectra verkregen uit de verschillende posities gemarkeerd 1 en 2 in Fig. 1a bevestigen de configuratie van de binnenste MoS₂ (385,5 cm⁻¹ en 405,3 cm⁻¹) en de buitenste WS₂ (351,5 cm⁻¹ en 416,5 cm⁻¹) in Fig. 1b. Hoge kristalkwaliteit van MoS₂ en WS₂ wordt geïmpliceerd omdat geen oxidatiepiek waargenomen wordt in de corresponderende Raman-spectra. Met name de eigen-pieken van zowel MoS₂ als WS₂ werden waargenomen in de gestikte interface gemarkeerd 3 in Fig. 1a, wat aangeeft dat de twee materialen aan de interface ontstaan. Bovendien is de frequentieverschil tussen de E_2g-modus en A_1g-modus van MoS₂ 19,8 cm⁻¹, wat een monolaag suggereert. Wat WS₂ betreft, is de piekintensiteitsverhouding van de longitudinale akoestische modus (2LA) op 352 cm⁻¹ tot de A_1g-modus, d.w.z. I_2LA/I_A1g, nauwkeuriger om de dikte te verifiëren dan het frequentieverschil. De verhouding werd geschat op ~2, in overeenstemming met monolaag WS₂ gemeten met 532 nm laser. Een duidelijke rode verschuiving van de E_2g-modus (in-plane trilling) kan worden waargenomen, voortkomend uit het legeringseffect in de laterale heteroovergangen. Opmerkelijk is dat dit soortgelijke gedrag ook in verticale heteroovergangen werd waargenomen, veroorzaakt door dielektrische afscherming en interlaagkoppeling. Verder duiden de Raman-kaartresultaten in Fig. 1c met het blauwe gebied van MoS₂ en het rode gebied van WS₂ op een naadloze hoogwaardige in-plane heterostructuur. Figuur 1d, e tonen ook de configuratie met MoS₂ binnenin en WS₂ buiten via PL-kaarten. Verschillende punten met versterkte PL-intensiteiten in het WS₂-gebied kunnen worden verklaard als ladingsdrager-inhomogeniteit veroorzaakt door verontreinigingen of vacatures. Bovendien kunnen de sterkere PL-emissies aan de interface ten opzichte van het MoS₂-gebied worden geïnterpreteerd als de inhomogene verdeling van ladingsdragers of een hogere foto-geïnduceerde ladingsdragersrecombinatiesnelheid aan de randen. Zowel Raman- als PL-kaarten wijzen op een scherpe en goed gestikte interface tussen MoS₂ en WS₂. De dikte en oppervlaktemorfologie werden gemeten met een atoommachtmicroscoop (AFM) met tapping-modus. Let op dat weinig korngrenzen, resulterend in ladingsdragerverstrooiing, worden waargenomen in het materiaal binnenin, maar de randen wijzen op betere elektrische transportprestaties zoals getoond in Fig. 1f. De dikte van WS₂ buiten is ~0,7 nm (onderkant) consistent met CVD-gegroeide WS₂ monolaag eerder gerapporteerd, en het hoogteverschil tussen WS₂ en MoS₂ is ongeveer 0,25 nm (bovenkant), wat monolaag MoS₂ impliceert. Over het algemeen tonen de bovenstaande materiaalkarakterisatieresultaten de laterale monolaag MoS₂/WS₂ heteroovergang met de scherpe interface aan.

Fotodetectoren werden geproduceerd met behulp van een EBL-systeem op basis van de laterale MoS₂/WS₂ heteroovergang. Figuur 2a toont het schematische diagram (boven) van het laterale heteroovergangsapparaat en de corresponderende type-II banduitlijning (onder). Daarbij worden elektronen en gaten respectievelijk in het MoS₂- en WS₂-gebied via de interface overgedragen en ingeperkt, wat de foto-elektrische omzetting bewerkstelligt. We schrijven dit toe aan het fotogating-effect, een speciaal geval van het fotoconductieve effect. Het fotogating-effect kan functioneren als een lokale fotogate die de kanaalgeleiding moduleert. De optische afbeelding van het apparaat met een effectief apparaatoppervlak van ~40 μm² wordt beschreven in Fig. 2b met E1 en E2 elektroden als bron- en drainelektroden. Om de heteroovergangsconfiguratie te achterhalen, werd gecombineerde Raman-kaartering uitgevoerd (Fig. 2c), wat de kanaalmaterialen van de laterale MoS₂/WS₂ heteroovergang tussen de gemeten bron- en drainelektroden (E1 en E2) aangeeft. De blauwe, rode en donkere secties zijn respectievelijk MoS₂, WS₂ en metalelektroden. Figuur 2d toont de semi-logaritmische uitvoerkarakteristieken van de laterale heteroovergang onder zichtbaar licht met 405 nm, 520 nm en 635 nm respectievelijk. Het inset in Fig. 2d onthult een lineair I-V-verloop tussen het kanaal en de elektroden. Het lineaire I-V-karakter is gunstig voor het bereiken van hoge responsiviteit, maar slechte gevoeligheid van fotodetectoren vanwege een hoge donkerstroom. Daarnaast neemt de I_ph (d.w.z. I_licht – I_donker) van de fotodetector toe tot 12,5 keer die vóór thermische annealing, wat mogelijk toe te schrijven is aan verminderde contactweerstand, verwijdering van defecten en verbeterde elektrische geleiding. Figuur 2e schetst de foto-schakelkarakteristieken geëxciteerd door de bovengenoemde golflengtes. De transiënte stroom stijgt snel wanneer het licht aan gaat en daalt zodra het licht uitgaat, wat impliceert dat deze fotodetector kan dienen als een snelle licht-geactiveerde schakelaar.

De semi-logaritmische uitvoerkarakteristieken met dezelfde golflengte maar gevarieerde lasermachtdichtheden worden afgebeeld in Fig. 3a. Zoals verwacht, neemt de fotostroom toe naarmate de lasermachtdichtheden toenemen door meer geïnduceerde fotogegenereerde ladingsdragers. Figuur 3b toont de I-V-krommen met dezelfde lasermachtdichtheid maar verschillende incidentegolflengtes (d.w.z. verschillende lichtabsorptiehoeveelheden en optische excitatie-energie). Hoewel de kortere golflengte minder fotonen bezit vergeleken met de langere golflengte bij dezelfde lasermachtdichtheid, neemt de gemeten transiënte stroom toe met afnemende bestralingsgolflengte. Dit kan worden veroorzaakt door de verminderde optische absorptie bij de langere golflengte. Figuur 3c beschrijft de transiënte stroom onder periodieke laserverlichting van 10 s, wat een stabiele reproduceerbare fotorespons aangeeft. Voor de meeste laagdimensionale fotodetectoren gedomineerd door het fotogating-effect, kunnen beperkte reactiesnelheid en hoge responsiviteit worden verkregen door de verlengde overlevingstijd van overtollige ladingsdragers. De stijg/daaltijd is gedefinieerd als de tijd die nodig is voor de fotostroom om te stijgen/dalen van 10%/90% van de stabiele waarde naar 90%/10%. De relatief lange stijg/daaltijd zou veroorzaakt moeten worden door trage ladingsdragerrecombinatie, afkomstig van laserverlichting die veel defetoestanden exciteert. Daarom wordt de reactietijd, inclusief stijg- en daaltijd, geofferd door het fotogating-effect vanwege de langdurige ladingsdragervangprocessen. Sommige onderzoekers hebben voorgesteld dat hoogwaardig kanaalmateriaal dat een gladde en korte weg voor ladingsdrageroverdracht en optimale apparaatstructuur kan bieden, de reactiesnelheid kan verbeteren. In feite zijn de cijfers van verdienste van fotogevoelige apparaten voornamelijk responsiviteit (R) en detectiviteit (D*). R wordt berekend door de relatie R = I_ph / (P · S), waarbij P en S de lasermachtdichtheid en het effectieve apparaatoppervlak zijn respectievelijk. Figuur 3d toont de corresponderende waarden van R van de fotodetector onder verschillende lasermachtdichtheden. De kampioenswaarde van R bereikt ~567,6 A/W, wat een concurrerende prestatieparameter oplevert. De hoge R wordt toegeschreven aan de onderdrukte fotoladingsdragerrecombinatie in de heterostructuur samen met elektronenfang in het MoS₂-gebied vermoedelijk. De afnemende R naarmate de lasermachtdichtheid toeneemt, onthult het fotogating-effect in de fotodetector verder.

Bovendien volgen fotostroom en lasermachtdichtheid de machtswetvergelijking: I_ph = A P^α, waarbij A een constante is en 0 < α < 1. De waarde van α, verkregen door de kromme van I_ph versus P in Fig. 4a te fitten, is gerelateerd aan het proces van ladingsdragervanging, recombinatie en overdracht. De sublineaire relatie tussen I_ph en P suggereert de aanwezigheid van het fotogating-effect in het apparaat verder. Een hogere waarde van α (zoals ~0,73) kan worden verkregen wanneer lagere machtdichtheden worden toegepast vanwege verminderde fotoladingsdragerrecombinatie en interacties tussen ladingsdragers. Integendeel, hogere machtdichtheden kunnen leiden tot een gedegradeerde α-waarde van ~0,55 vanwege sterkere recombinatieverliezen en meer vangtoestanden. De voorwaarde voor de berekende D* via de vergelijking D* = R (S / (2e I_donker))^1/2 is dat de fotodetectoren gelimiteerd zijn door schietruis als hoofdbron van ruis. Om D* nauwkeuriger te evalueren, wordt de ruisstroom gemeten in Fig. 4b onder verschillende frequenties. Figuur 4b toont de typische 1/f-ruis in onze fotodetectoren, wat een significante belemmering is voor de halfgeleiderindustrie van nieuwe materialen. Dit soort ruis voortvloeit voornamelijk uit geladen verontreinigingen en vangplaatsen in het geleidend kanaal. Een hogere materiaalkwaliteit en lage structurele defectdichtheid zijn gewenst voor het verminderen van 1/f-ruis. Volgens de formule D* = R (SΔf)^1/2 / I_ruis, waarbij Δf en I_ruis de meetbandbreedte en ruisstroom zijn, is de detectiviteit van de fotodetector ongeveer 7,17 × 10¹¹ Jones. Tabel 1 vergelijkt enkele geselecteerde representatieve fotodetectoren met overeenkomstige fotoresponsprestaties gebaseerd op 2D-materialen. De relatief hoge R en D* van onze fotodetectoren tonen groot potentieel in opto-elektronische apparaten.

Conclusies

Samengevat, is een hoogpresterende fotodetector ontwikkeld op basis van de laterale monolaag MoS₂/WS₂ heteroovergang. De grootte van de kanaalmaterialen gegroeid door de eenstaps vloeistof-fase CVD-methode bereikt millimeterschaal. Bovendien zijn de hoogwaardige kanaalmaterialen met goede uniformiteit en scherpe interface onderzocht door systematische materiaalkarakterisaties en daaropvolgende apparaatmetingen. In het bijzonder worden hoge responsiviteit van 567,6 A/W en detectiviteit van ~10¹¹ Jones bereikt voor de fotodetectoren, toegeschreven aan het fotogating-effect. De prestaties van de voorgestelde laterale MoS₂/WS₂ heteroovergangsfotodetectoren zijn beter dan of vergelijkbaar met het gerapporteerde werk. Daarnaast veronderstellen we dat de ongewenste 1/f-ruis voortkomend uit de vang/loslating van ladingsdragers verder kan worden verminderd door hoogwaardig en defectvrij kanaalmateriaal. De eenvoudige eenstaps vloeistof-fase CVD-groei en de uitstekende opto-elektronische prestaties van de fotodetectoren kunnen verder onderzoek motiveren met betrekking tot opto-elektronische apparaten gebaseerd op laterale heterostructuren.