Los fotodetectores basados ​​en heterouniones laterales monocapa MoS2 / WS2

Resultados y discusión

La Figura 1a muestra la imagen óptica de la heteroestructura de monocapa lateral desarrollada por CVD, ilustrada por el contraste óptico. Los correspondientes espectros Raman obtenidos de las diferentes posiciones marcadas 1 y 2 en la Fig. 1a confirman la configuración del MoS interno ₂ (385,5 cm ⁻¹ y 405,3 cm ⁻¹ ) y WS externo ₂ (351,5 cm ⁻¹ y 416,5 cm ⁻¹ ) en la Fig. 1b [30]. Alta calidad de cristal de MoS ₂ y WS ₂ están implícitos porque no se observa ningún pico de oxidación en los correspondientes espectros Raman [37]. Especialmente, los picos propios de MoS ₂ y WS ₂ ambos se observaron en la interfaz cosida marcada con 3 en la Fig. 1a, lo que indica que se forman dos materiales en la interfaz. Además, la diferencia de frecuencia entre E _2g modo y A _1g modo de MoS ₂ mide 19,8 cm ⁻¹ , sugiriendo monocapa uno [30, 38, 39]. Al considerar WS ₂ , la relación de intensidad máxima del modo acústico longitudinal (2LA) [40] a 352 cm ⁻¹ a A _1g modo, es decir, I _2LA / I _A1g , es más preciso para verificar el espesor que la diferencia de frecuencia [14]. La proporción se estimó en ~ 2, de acuerdo con la monocapa WS ₂ medido por láser de 532 nm [14]. El cambio rojo distintivo de E _2g Se puede observar el modo (vibración en el plano), resultado del efecto de aleación [41] en las heterouniones laterales. En particular, este comportamiento similar también se observó en las heterouniones verticales, causadas por el cribado dieléctrico y el acoplamiento entre capas [42]. Además, el resultado del mapeo Raman en la Fig. 1c con la región azul de MoS ₂ y la región roja de WS ₂ indica la heteroestructura perfecta en el plano de alta calidad [13, 43]. La Figura 1d, e también demuestra la configuración con MoS ₂ inside y WS ₂ afuera por mapeo PL, respectivamente [13]. Varios puntos que muestran intensidades PL mejoradas en WS ₂ La región puede explicarse como una falta de homogeneidad del portador causada por impurezas o vacantes [14]. Además, las emisiones de PL más fuertes en la interfaz que el MoS ₂ La región podría interpretarse como la distribución no homogénea de portadores o una mayor tasa de recombinación de portadores fotoinducidos en los bordes [14]. Tanto el mapeo Raman como el PL sugieren una interfaz nítida y bien unida entre MoS ₂ y WS ₂ [14, 44]. El espesor y la morfología de la superficie se midieron mediante un microscopio de fuerza atómica (AFM) con modo de captura. Tenga en cuenta que en el interior del material se observan pocos límites de grano que provocan la dispersión del portador de carga [45], pero los bordes indican un mejor rendimiento de transporte eléctrico, como se muestra en la Fig. 1f [14, 46]. El espesor de WS ₂ el exterior es de ~ 0,7 nm (parte inferior) consistente con WS ₂ desarrollado por CVD monocapa informado anteriormente [47], y la diferencia de altura entre WS ₂ y MoS ₂ es de aproximadamente 0,25 nm (arriba), lo que implica MoS ₂ monocapa [47]. En general, los resultados de la caracterización del material anterior pueden demostrar la monocapa lateral MoS ₂ / WS ₂ heterounión con la interfaz nítida.

Resultados de la caracterización del material de la monocapa lateral recién crecida MoS ₂ / WS ₂ heteroestructura. ( a) La imagen óptica de la monocapa lateral MoS ₂ / WS ₂ heterounión. ( b) El espectro Raman obtenido del sitio marcado con 1, 2 y 3 en ( a ), respectivamente. La imagen de mapeo Raman ( c ), Imágenes de mapeo PL de MoS ₂ región ( d ) y WS ₂ región ( e ) del área enmarcada en rojo en ( a ). La barra de falso color correspondiente se inserta en la parte inferior de ( c ) - ( e ). ( f ) El perfil de altura transversal correspondiente del azul (entre WS ₂ y MoS ₂ ) y blanco (entre WS ₂ y sustrato) líneas marcadas en la imagen de morfología AFM

Los fotodetectores se fabricaron utilizando un sistema EBL basado en el MoS ₂ lateral / WS ₂ heterounión. La Figura 2a muestra el diagrama esquemático (arriba) del dispositivo de heterounión lateral y la alineación de banda de tipo II correspondiente (abajo). En consecuencia, los electrones y los huecos se transfieren y se confinan en MoS ₂ y WS ₂ región a través de la interfaz, respectivamente, logrando la conversión fotoeléctrica [13, 21, 24, 48]. Atribuimos esto al efecto fotogating, como un caso especial de efecto fotoconductor [49]. El efecto fotogating puede funcionar como una fotopuerta local que modula la conductancia del canal [50]. La imagen óptica del dispositivo con el área efectiva del dispositivo de ~ 40 μm ² se describe en la Fig. 2b con los electrodos E1 y E2 como electrodos fuente y de drenaje. Para determinar la configuración de heterounión, se llevó a cabo un mapeo Raman combinado (Fig. 2c), que indica los materiales del canal del MoS lateral ₂ / WS ₂ heterounión entre la fuente medida y los electrodos de drenaje (E1 y E2) [28]. Las secciones azul, roja y oscura son MoS ₂ , WS ₂ y electrodos metálicos, respectivamente. La Figura 2d muestra las curvas características de salida semilogarítmica de la heterounión lateral bajo luz visible con 405 nm, 520 nm y 635 nm, respectivamente. El recuadro en la Fig. 2d revela un I-V lineal relación entre el canal y los electrodos [51,52,53,54,55,56]. El yo lineal - V El carácter es propicio para lograr una alta capacidad de respuesta pero una baja sensibilidad de los fotodetectores debido a una alta corriente oscura [57]. Además, el I _ph (es decir, yo _ligero - yo _oscuro ) del fotodetector aumenta a 12,5 veces la de antes del recocido térmico, lo que puede atribuirse a una disminución de la resistencia de contacto [46, 58], la eliminación de defectos [59] y la mejora de las conductividades eléctricas [60]. La Figura 2e muestra las características de la fotoconmutación excitadas por las longitudes de onda anteriores. La corriente transitoria aumenta rápidamente cuando la luz está encendida y cae tan pronto como la luz se apaga, lo que implica que este fotodetector puede servir como un interruptor rápido activado por luz [61].

Características optoelectrónicas del fotodetector. ( a) El diagrama esquemático y la alineación de bandas propuesta del fotodetector. La imagen óptica ( b ) y el correspondiente mapeo Raman combinado ( c ) del fotodetector. E1 y E2 representan los electrodos fuente y de drenaje del dispositivo medido. El semilogarítmico ( d ) y lineal (inserción de ( d) ) Yo - V características y las características de cambio de fotos ( e ) del fotodetector

Las características de salida semilogarítmica con la misma longitud de onda pero con densidades de potencia láser variadas se muestran en la Fig. 3a. Como era de esperar, la fotocorriente aumenta a medida que aumentan las densidades de potencia del láser debido a más portadores fotogenerados inducidos [62]. La figura 3b muestra la I - V curvas con la misma densidad de potencia láser pero diferentes longitudes de onda incidente (es decir, diferente cantidad de absorción de luz y energía de excitación óptica). Aunque la longitud de onda más corta posee menos fotones en comparación con la longitud de onda más larga a la misma densidad de potencia láser. En este caso, la corriente transitoria medida aumenta con las disminuciones de la longitud de onda de irradiación. Esto puede deberse a la reducción de la absorción óptica en la longitud de onda más larga [63, 64]. La Figura 3c describe la corriente transitoria bajo iluminación láser periódica de 10 s, lo que indica una fotorrespuesta reproducible estable [61]. Para la mayoría de los fotodetectores de baja dimensión dominados por el efecto de fotogating, se puede obtener una velocidad de respuesta limitada y una alta capacidad de respuesta debido al prolongado exceso de vida útil de la portadora [50, 65]. El tiempo de subida / bajada se define como el tiempo necesario para que la fotocorriente suba / baje del 10% / 90% del valor estable al 90% / 10% [66, 67]. El tiempo relativamente largo de subida / bajada debería ser causado por una lenta recombinación de portadores, originada por la iluminación láser que excita muchos estados defectuosos [68]. Por lo tanto, el tiempo de respuesta, incluido el tiempo de subida y el tiempo de caída, se sacrificó por efecto de fotogating debido a los procesos de captura de carga de larga duración [57]. Algunos investigadores han propuesto que el material de canal de alta calidad que puede ofrecer una ruta suave y corta para la transferencia de portadora y una estructura óptima del dispositivo puede mejorar la velocidad de respuesta [69, 70]. De hecho, las cifras de mérito de los dispositivos fotosensibles son principalmente responsabilidad ( R ) y detectividad ( D *). R se calcula mediante las relaciones de

Comportamiento de fotorrespuesta del fotodetector. El yo - V características bajo diferentes densidades de potencia láser de 405 nm ( a ) y bajo diferentes longitudes de onda incidentes de 5 mW / cm ² ( b ). ( c) La fotorrespuesta resuelta en el tiempo excitada por el encendido / apagado periódico de la luz incidente. ( d) La R extraída (esfera negra) en función de las densidades de potencia del láser. El voltaje aplicado para ( c - d ) es 1 V

donde P y S son la densidad de potencia del láser y el área efectiva del dispositivo, respectivamente [62, 71, 72]. La figura 3d muestra los valores correspondientes de R del fotodetector bajo diferentes densidades de potencia láser. El campeón R alcanza hasta ~ 567,6 A / W entregando el parámetro de rendimiento competitivo. La alta R se atribuye a la recombinación del fotoportador suprimida en la heteroestructura junto con la captura de electrones en el MoS ₂ presumiblemente [22]. La R disminuida a medida que aumenta la densidad de potencia del láser, se revela aún más el efecto fotogating en el fotodetector [73].

Además, la fotocorriente y la densidad de potencia del láser siguen la ecuación de la ley de potencia:

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

donde A es una constante y 0 < α <1. El valor de α , obtenido ajustando la curva de I _ph versus P en la Fig. 4a, está relacionado con el proceso de captura, recombinación y transferencia de portadores [74, 75]. La relación sublineal entre I _ph y P sugiere además la presencia del efecto fotogating en el dispositivo [65]. El valor más alto de α (como ~ 0,73) se puede obtener cuando se aplican las densidades de potencia más bajas debido a la reducción de la recombinación de fotoportadores y las interacciones entre los portadores [75, 76]. En contraste, densidades de potencia más altas pueden resultar en un valor α degradado de ~ 0.55 debido a pérdidas de recombinación más fuertes y más estados de trampa [77]. La condición previa de la D calculada * a través de la ecuación

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

(a) La trama de I _ph versus densidades de potencia láser. ( b) El espectro de potencia actual ( S _yo ) en diferentes frecuencias. El voltaje aplicado para ( a – b ) es 1 V

es que los fotodetectores están limitados por el ruido de disparo como principal fuente de ruido [49, 66, 78]. Para evaluar más a fondo D * más exactamente, la corriente de ruido obtenida en la Fig. 4b se mide en diferentes frecuencias [74]. La Figura 4b muestra el ruido 1 / f típico [79] en nuestros fotodetectores, que es un impedimento significativo para la industria de los semiconductores debido a los nuevos materiales. Este tipo de ruido se debe principalmente a las impurezas cargadas y los sitios de atrapamiento en el canal conductor [57, 80]. Se desea una mayor calidad de material y una pequeña densidad de defectos estructurales para reducir el ruido 1 / f [81]. Según la fórmula de

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

donde Δ f y yo _ruido son el ancho de banda de medición y la corriente de ruido [79], la capacidad de detección del fotodetector es de aproximadamente 7,17 × 10 ¹¹ Jones. La Tabla 1 ha comparado algunos fotodetectores representativos seleccionados con el rendimiento de fotorrespuesta correspondiente basado en materiales 2D. La R relativamente alta y D * de nuestros fotodetectores muestran un gran potencial en dispositivos optoelectrónicos.

Conclusiones

En resumen, se desarrolló un fotodetector de alto rendimiento basado en la monocapa lateral MoS ₂ / WS ₂ heterounión. El tamaño de los materiales del canal que crecen mediante el método CVD en fase líquida de un solo paso alcanza una escala milimétrica. Además, los materiales de canal de alta calidad con buena uniformidad e interfaz nítida se examinaron mediante caracterizaciones sistemáticas de materiales y mediciones de dispositivos posteriores. En particular, una alta capacidad de respuesta de 567,6 A / W y una capacidad de detección de ~ 10 ¹¹ Jones se consiguen por los fotodetectores que se atribuyen al efecto fotogating. El rendimiento del MoS lateral propuesto ₂ / WS ₂ fotodetectores de heterounión es mejor o comparable al trabajo informado [24, 62, 76, 78, 86, 97, 98]. Además, suponemos que el ruido 1 / f no deseado que surge de la captura / eliminación de trampas de los portadores de carga puede reducirse aún más mediante un material de canal de alta calidad y sin defectos. El fácil crecimiento de CVD en fase líquida en un solo paso y el excelente rendimiento optoelectrónico de los fotodetectores pueden motivar más investigaciones sobre dispositivos optoelectrónicos basados ​​en heteroestructuras laterales.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos que respaldan las conclusiones de este artículo se incluyen en el artículo.

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