Control de la fotoresponsividad en fototransistores de MoS₂ multicapa mediante sesgo aplicado

Resumen

Estudiamos la variación de la fotoresponsividad en fototransistores de MoS₂ multicapa al cambiar el sesgo aplicado. La ganancia de fotorespuesta se alcanza cuando los huecos fotogenerados atrapados en el MoS₂ atraen electrones desde la fuente. Así, la fotoresponsividad puede controlarse por el sesgo de compuerta o drenaje. Cuando el sesgo de compuerta está por debajo del voltaje umbral, una pequeña cantidad de electrones se difunden al canal, debido a la gran barrera entre MoS₂ y electrodo de fuente. En este régimen, a medida que el sesgo de compuerta o drenaje aumenta, la barrera entre el canal MoS₂ y la fuente se vuelve menor y el número de electrones inyectados en el canal aumenta exponencialmente, resultando en un aumento exponencial de la fotoresponsividad. Por otro lado, si el sesgo de compuerta está por encima del voltaje umbral, la fotoresponsividad se ve afectada por la velocidad de portadores en lugar de la altura de la barrera porque la corriente de drenaje está limitada por la velocidad de deriva de portadores. Por tanto, con un aumento en el sesgo de drenaje, la velocidad de portadores aumenta linealmente y se satura debido a la saturación de velocidad de portadores, y por lo tanto, la fotoresponsividad también aumenta linealmente y se satura.

Introducción

Recientemente, materiales de dicalcogenuros de metales de transición (TMD) incluyendo disulfuro de molibdeno (MoS₂) y diseleniuro de tungsteno (WSe₂) han recibido considerable atención como material de canal para dispositivos nanoelectrónicos de próxima generación. En particular, transistores de película delgada que usan MoS₂ exhiben características eléctricas interesantes como alta movilidad electrónica (~200 cm² V⁻¹ s⁻¹), alta relación corriente ON/OFF (~10⁸), y bajo swing subumbral (~70 mV dec⁻¹) en un transistor de MoS₂ monocapa. Además, MoS₂ atrae atención como capa absorbente de luz en dispositivos optoelectrónicos debido a su energía de banda prohibida (MoS₂ monocapa tiene banda prohibida directa de 1.8 eV y MoS₂ en bruto tiene banda prohibida indirecta de 1.2 eV) y gran coeficiente de absorción (α = 1–1.5 × 10⁶ cm⁻¹ para monocapa y 0.1–0.6 × 10⁶ cm⁻¹ para en bruto). Por tanto, fototransistores usando MoS₂ tienen baja corriente oscura en estado OFF y alta fotoresponsividad. El rendimiento de fototransistores MoS₂ se ha mejorado introduciendo una capa adicional como grafeno, punto cuántico, colorante orgánico, WS₂, ZnO, y MoS₂ tipo-p o cambiando el dieléctrico de compuerta. De esta manera, muchos estudios se han realizado activamente para mejorar la fotoresponsividad mediante procesos de fabricación adicionales; sin embargo, hay falta de investigación sobre control de ganancia y entendimiento específico de fototransistores MoS₂. Cuando el control de ganancia está habilitado, un amplio rango de intensidades de luz puede detectarse de forma fiable, y la ganancia puede aumentarse sin ningún proceso de fabricación adicional. En este contexto, investigamos la fotoresponsividad controlada por sesgo (drenaje o compuerta) en fototransistores MoS₂ multicapa.

Métodos

La Figura 1a muestra el diagrama esquemático del fototransistor MoS₂ multicapa fabricado. Crecimos 250 nm SiO₂ en un sustrato de silicio fuertemente dopado tipo n. Los copos de MoS₂ multicapa se exfoliaron mecánicamente de MoS₂ en bruto (Graphene Supermarket, USA) y se transfirieron a sustrato SiO₂/Si usando el método convencional de cinta adhesiva. Los electrodos de fuente y drenaje se patrónaron por foto-litografía y Ti/Au (5/80 nm) se depositaron en el patrón usando un evaporador de haz de electrones. La Figura 1b muestra la imagen AFM (Microscopio de Fuerza Atómica) del fototransistor fabricado. La longitud y ancho del canal son 7.31 y 4.74 µm, respectivamente, y el recuadro muestra el espesor del MoS₂ multicapa es aproximadamente 49 nm, correspondiente a unas 75 capas, asumiendo espesor de una capa de 0.65 nm.

Fototransistor MoS₂ fabricado y características eléctricas. a Diagrama esquemático del fototransistor MoS₂ multicapa fabricado. b Imagen de Microscopio de Fuerza Atómica (AFM) del fototransistor. El recuadro es el gráfico de sección transversal a lo largo de la línea roja en la imagen AFM. c Características de transferencia del fototransistor MoS₂ multicapa con voltajes de drenaje de 3, 9, 15, 21, y 27 V en oscuridad. d Variaciones en el swing subumbral con sesgo de drenaje creciente

Resultados y discusión

La Figura 1c muestra las características de transferencia del fototransistor MoS₂ multicapa con sesgos de drenaje de 3, 9, 15, 21, y 27 V en oscuridad. Las características corriente-voltaje del fototransistor MoS₂ multicapa fabricado se midieron usando un medidor de fuente de doble canal (Keithley 2614B) a temperatura ambiente y ambiente N₂. La relación ON/OFF es aproximadamente 10⁵. La movilidad de efecto de campo se estimó en 18.6 cm²/V·s para un sesgo de drenaje de 3 V a partir de la siguiente ecuación:

$$ {\mu}_{\mathrm{eff}}=\left({g}_m\cdot L\ \right)/\left(\ {C}_{\mathrm{OX}}\cdot W\cdot {V}_{\mathrm{DS}}\right) $$ (1)

donde L es la longitud del canal, W el ancho del canal, y la capacitancia de óxido C_OX es 1.38 × 10⁻⁸ F/cm². Se observó claramente que cuando el sesgo de drenaje aumenta, el voltaje umbral disminuye y el swing subumbral aumenta. Esto indica que el voltaje umbral y el swing subumbral son afectados por el sesgo de drenaje. En general, el voltaje umbral se estima por la ecuación:

$$ {V}_{\mathrm{th}}={V}_{\mathrm{GS}}(0)-{V}_{\mathrm{DS}}/2 $$ (2)

donde V_GS(0) es la intersección entre la línea de tendencia en una parte lineal de la curva de transferencia y el eje x. Sin embargo, la Eq. (2) asume un sesgo de drenaje pequeño tal que los efectos de saturación de velocidad son despreciables (V_DS≪L⋅ν_sat/μ_eff = 10 V, donde ν_sat es la velocidad de saturación y μ_eff la movilidad de efecto de campo); por tanto, es difícil extraer el voltaje umbral exacto para un sesgo de drenaje grande. Por esta razón, extrajimos solo el cambio en swing subumbral y confirmamos el efecto del sesgo de drenaje en el canal. La Figura 1d muestra el cambio en swing subumbral extraído de la pendiente de la parte lineal del gráfico log(I_D) − (V_GS) para diferentes sesgos de drenaje. El swing subumbral aumentó de 1.44 V/década a 3.14 V/década cuando el sesgo de drenaje aumentó de 3 a 27 V. Esto implica que un gran sesgo de drenaje reduce la barrera entre el canal MoS₂ y el electrodo de fuente Au, debilitando así la controlabilidad del canal por el sesgo de compuerta.

Para investigar la responsividad del fototransistor MoS₂, medimos las características de transferencia a varias densidades de potencia de iluminación usando un láser de estado sólido bombeado por diodo (DPSS) de longitud de onda 466 nm. La Figura 2a muestra las características de transferencia del fototransistor MoS₂ multicapa en oscuridad y bajo tres intensidades de luz diferentes (5, 7, y 10 mW/cm²), a un voltaje de drenaje de 3 V. A medida que la intensidad de luz aumenta, la curva de transferencia se desplaza a la izquierda, lo que muestra que los huecos fotogenerados quedan atrapados en el canal MoS₂ y actúan como un sesgo de compuerta positivo. La Figura 2b muestra la variación de fotocorriente y responsividad cuando la intensidad de luz y el sesgo de drenaje aumentan a un sesgo de compuerta constante de −30 V. La fotocorriente se obtiene por la diferencia entre la corriente de drenaje bajo iluminación y en oscuridad (I_ph = I_iluminado − I_oscuro), y la responsividad se define por I_ph/P_light, donde I_ph es la fotocorriente y P_light la potencia óptica iluminada en el canal MoS₂. A medida que el sesgo de drenaje e intensidad de luz aumentan, la fotocorriente y responsividad aumentan. Considerando un láser de 466 nm, la responsividad correspondiente al 100% de eficiencia cuántica externa (EQE) es 0.375 A/W, y la responsividad medida excede este valor, cuando el sesgo de drenaje es 15 V y la intensidad de luz 8 mW/cm². Esto significa que hay ganancia de fotorespuesta en este fototransistor MoS₂ multicapa y que es afectada por el sesgo de drenaje.

Características de fotorespuesta de fototransistores MoS₂ dependiendo de intensidad de luz iluminada. a Características de transferencia con V_DS = 3 V constante bajo iluminación con tres intensidades de luz diferentes (5, 7, y 10 mW/cm²). b Cambio en fotocorriente con aumento de intensidad de luz cuando diferentes sesgos de drenaje (V_DS = 9, 15 V) y un sesgo de compuerta constante (V_GS = −30 V) se aplican

Para observar el cambio en fotoresponsividad según el voltaje de compuerta, medimos la fotocorriente mientras aumentábamos el voltaje de drenaje de 3 a 27 V bajo iluminación de 5 mW/cm² (Fig. 3a). A medida que el sesgo de compuerta aplicado aumenta, la fotocorriente aumenta exponencialmente en el estado OFF (V_GS < V_th) y se satura en el estado ON (V_th < V_GS). Esto es porque, cuando el sesgo de compuerta aplicado es −30 V (estado OFF) y se ilumina (Fig. 3b), se forma una gran barrera entre el canal MoS₂ y los electrodos fuente/drenaje (Au). Así, los electrones necesarios para mantener la neutralidad del canal, destruida por los huecos atrapados, no se inyectan bien en el canal. Sin embargo, a medida que el sesgo de compuerta aumenta hasta el voltaje umbral, la barrera se vuelve menor y los electrones pueden difundirse fácilmente en el canal MoS₂. Por tanto, la fotocorriente aumenta exponencialmente antes del voltaje umbral. Por otro lado, si el sesgo de compuerta se vuelve mayor que el voltaje umbral, es decir, cuando el dispositivo se enciende, la barrera se reduce suficientemente y la fotocorriente se satura (Fig. 3c). También se notó que la fotocorriente aumenta en ambos estados OFF y ON a medida que el sesgo de drenaje aumenta. Esto significa que a diferencia de las propiedades de fotorespuesta de fototransistores convencionales, que se miden solo en estado OFF, hay ganancia de fotorespuesta incluso en estado ON a medida que el voltaje de drenaje aumenta.

Fotorespuesta de fototransistores MoS₂ dependiendo de sesgo aplicado. a Fotocorriente en varios sesgos de drenaje (3, 9, 15, 21, y 27 V) e intensidad de luz constante (5 mW/cm²) dependiendo del sesgo de compuerta. b, c Diagramas de banda de energía de un fototransistor MoS₂ multicapa

Para verificar el efecto del sesgo de drenaje en la fotoresponsividad del fototransistor MoS₂ en estados OFF y ON, las características de fotorespuesta se midieron iluminándolo con luz y fijándolo a un sesgo de compuerta de −30 y 27 V correspondientes al estado OFF y ON, respectivamente. La Figura 4a muestra el cambio en fotocorriente, y la Fig. 4b muestra la responsividad y detectividad específica según el sesgo de drenaje en el estado OFF. La detectividad específica se extrae de la ecuación:

$$ {D}^{\ast }=R\cdot {A}^{1/ 2}/{\left(2\cdot q\cdot {I}_{\mathrm{dark}}\right)}^{1/2} $$ (3)

donde R es la responsividad, A el área del canal MoS₂, q la carga unitaria, e I_dark la corriente oscura. En el estado OFF, la fotocorriente y responsividad aumentan exponencialmente con mayor sesgo de drenaje. Por tanto, la fotocorriente (responsividad), que era 4.28 × 10⁻¹⁴ A (0.12 A/W) cuando el sesgo de drenaje era 3 V e intensidad de luz 10 mW/cm², aumentó drásticamente a 1.57 × 10⁻⁸ A (4.53 A/W) cuando se aplicó 27 V de sesgo de drenaje. Estos resultados muestran que la fotocorriente y responsividad aumentan exponencialmente con el aumento del sesgo de drenaje. Por otro lado, en el estado ON, la fotocorriente (Fig. 4c) y responsividad (Fig. 4d) aumentan linealmente y se saturan a medida que el sesgo de drenaje aumenta. Cuando la intensidad de luz es constante a 5 mW/cm² y el sesgo de drenaje aumentó de 3 a 27 V, la fotocorriente (responsividad) aumentó 5 veces de 2.9 × 10⁻⁶ A (1677 A/W) a 1.5 × 10⁻⁵ A (8667 A/W). Además, la detectividad mostró la misma tendencia que la responsividad. En el estado OFF (Fig. 4b), aumentó de 1.76 × 10⁸ Jones a 2.87 × 10⁸ Jones cuando el sesgo de drenaje aumentó de 3 a 27 V bajo intensidad de luz 10 mW/cm². En el estado ON (Fig. 4d), aumentó de 6.14 × 10⁹ Jones a 8.63 × 10⁹ Jones cuando el sesgo de drenaje aumentó de 3 a 27 V bajo intensidad de luz 5 mW/cm². Por tanto, como la corriente de difusión es dominante en el estado OFF, la responsividad aumenta exponencialmente al aumentar el sesgo de drenaje. Por otro lado, la corriente de deriva es dominante en el estado ON; por tanto, la responsividad aumenta linealmente al aumentar el sesgo de drenaje.

Características de fotorespuesta medidas a cuatro irradiancias diferentes (5, 7, 8, y 10 mW/cm²) cuando el sesgo de drenaje aumenta. a Fotocorriente, b responsividad, y detectividad específica en estado OFF. Recuadros en a y b están graficados con escala log de fotocorriente y responsividad, respectivamente. c Fotocorriente, d responsividad, y detectividad específica en estado ON

Las características observadas dependientes del sesgo de drenaje del fototransistor MoS₂ multicapa pueden explicarse por el diagrama de banda de energía esquemático mostrado en la Fig. 5. Cuando el canal MoS₂ multicapa se ilumina, pares electrón-hueco se fotogeneran en el canal. Los huecos fotogenerados quedan atrapados en el canal MoS₂, rompiendo así la neutralidad del canal. Entonces, el canal cargado positivamente atrae más electrones desde la fuente para mantener la neutralidad, y cuántos electrones se suministran desde la fuente determina la ganancia de fotorespuesta. Cuando el sesgo de compuerta aplicado está por debajo del umbral, hay una gran barrera entre el canal MoS₂ y la fuente como se muestra en Fig. 5a y la corriente de drenaje está limitada por la difusión sobre la barrera. A medida que el sesgo de drenaje aplicado aumenta (Fig. 5b), la barrera se reduce debido a la curvatura del canal MoS₂, facilitando así el suministro de electrones para neutralidad del canal. Por tanto, como se muestra en Fig. 4b, la fotoresponsividad mejora exponencialmente para el sesgo de drenaje. Cuando el sesgo de compuerta aplicado está por encima del umbral, la barrera entre MoS₂ y fuente es suficientemente baja (Fig. 5c), la corriente de drenaje está limitada por la deriva de portadores en el canal. Por tanto, la velocidad de deriva de portadores es un factor principal en la variación de fotoresponsividad. En este régimen, a medida que el sesgo de drenaje aplicado aumenta (Fig. 5d), la velocidad de portadores y la fotoresponsividad aumentan linealmente y se saturan a un cierto sesgo de drenaje (~10 V) como se muestra en Fig. 4d.

Diagrama de banda de energía de fototransistor MoS₂ multicapa bajo iluminación a bajo sesgo de drenaje en estado OFF (V_GS < V_th) (a) y alto sesgo de drenaje en estado OFF (b). Bajo sesgo de drenaje en estado ON (V_GS > V_th) (c) y alto sesgo de drenaje en estado ON (d)

Conclusiones

Fabricamos un fototransistor basado en MoS₂ multicapa e investigamos en detalle su fotoresponsividad controlada por sesgo (drenaje o compuerta). El cambio en fotoresponsividad según el sesgo puede clasificarse en dos casos: cuando el sesgo de compuerta es menor que el voltaje umbral (estado OFF) y cuando el sesgo de compuerta es mayor que el voltaje umbral (estado ON). Cuando el sesgo de compuerta es menor que el voltaje umbral, una pequeña cantidad de electrones se difunden en el canal, debido a la gran barrera entre MoS₂ y electrodo de fuente. A medida que los sesgos de compuerta o drenaje aumentan, la altura de la barrera disminuye y el número de electrones inyectados en el canal para neutralidad aumenta. Como resultado, la fotoresponsividad aumenta exponencialmente. Por otro lado, cuando el sesgo de compuerta es mayor que el voltaje umbral, la fotoresponsividad se ve afectada por la velocidad de portadores en lugar de la altura de barrera porque la corriente está limitada por la velocidad de deriva de portadores. A medida que el sesgo de drenaje aumenta, la velocidad de portadores aumenta linealmente y se satura. Por tanto, la fotoresponsividad aumenta linealmente y se satura. Pudimos entender las variaciones de responsividad en fototransistores basados en MoS₂ multicapa según el sesgo de compuerta o drenaje. Con ello, la ganancia puede controlarse para aumentar el rango de aplicación del fototransistor MoS₂ y operar óptimamente, dependiendo del propósito y entorno.