Fotoresponsividad dependiente del sesgo de fototransistores MoS2 multicapa

Resultados y discusión

La Figura 1c muestra las características de transferencia del MoS ₂ multicapa fototransistor con polarizaciones de drenaje de 3, 9, 15, 21 y 27 V en la oscuridad. Las características de corriente-voltaje del MoS ₂ multicapa fabricado fototransistor se midieron utilizando un medidor de fuente de dos canales (Keithley 2614B) a temperatura ambiente y N ₂ ambiente. La relación ON / OFF es aproximadamente 10 ⁵ . La movilidad del efecto de campo se estimó en 18,6 cm ² / V s para una desviación de drenaje de 3 V de la siguiente ecuación [26]:

donde L es la longitud del canal, W es el ancho del canal y la capacitancia de óxido C _OX es 1,38 × 10 ⁻⁸ F / cm ² . Se observó claramente que cuando aumenta la polarización del drenaje, el voltaje de umbral disminuye y la oscilación del subumbral aumenta. Esto indica que el voltaje de umbral y la oscilación del subumbral se ven afectados por la polarización del drenaje. En general, el voltaje umbral se estima mediante la ecuación:

donde V _GS (0) es la intersección entre la línea de tendencia en una parte lineal de la curva de transferencia y la x -eje. Sin embargo, Eq. (2) asume un pequeño sesgo de drenaje tal que los efectos de saturación de la velocidad son despreciables ( V _DS 〈〈 L ⋅ ν _sentado / μ _ef =10 V, donde ν _sentado es la velocidad de saturación y μ _ef es la movilidad del efecto de campo); por lo tanto, es difícil extraer el voltaje umbral exacto para una gran desviación de drenaje. Por esta razón, extrajimos solo el cambio en la oscilación del subumbral y confirmamos el efecto del sesgo de drenaje en el canal. La Figura 1d muestra el cambio en la oscilación del subumbral extraído de la pendiente de la parte lineal del registro ( I _D ) - ( V _GS ) gráfico para diferentes desviaciones de drenaje. La oscilación del 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 sesgo de drenaje grande reduce la barrera entre el MoS ₂ canal y el electrodo de fuente de Au, debilitando así la capacidad de control del canal de la polarización de la puerta.

Para investigar la capacidad de respuesta del MoS ₂ fototransistor, medimos las características de transferencia a varias densidades de potencia de iluminación utilizando un láser de estado sólido bombeado por diodos (DPSS) de longitud de onda de 466 nm. La figura 2a muestra las características de transferencia del MoS ₂ multicapa fototransistor en la oscuridad y en tres intensidades de luz diferentes (5, 7 y 10 mW / cm ² ), a un voltaje de drenaje de 3 V. A medida que aumenta la intensidad de la luz, la curva de transferencia se desplaza hacia la izquierda, lo que muestra que los orificios fotogenerados están atrapados en el MoS ₂ canal y actúa como una polarización de puerta positiva [13, 30, 31]. La Figura 2b muestra que la variación de la fotocorriente y la capacidad de respuesta cuando la intensidad de la luz y el sesgo de drenaje aumentan con un sesgo de puerta constante de - 30 V. La fotocorriente se obtiene por la diferencia entre la corriente de drenaje bajo iluminación y en la oscuridad ( I _ph = yo _iluminado - yo _oscuro ), y la capacidad de respuesta está definida por I _ph / P _ligero , donde yo _ph es la fotocorriente y P _ligero es la potencia óptica iluminada en el MoS ₂ canal. A medida que aumentan el sesgo del drenaje y la intensidad de la luz, aumentan la fotocorriente y la capacidad de respuesta. Considerando un láser con una longitud de onda de 466 nm, la responsividad correspondiente al 100% de la eficiencia cuántica externa (EQE) es 0.375 A / W, y la responsividad medida excede este valor, cuando la polarización de drenaje es de 15 V y la intensidad de la luz es 8 mW / cm ² . Esto significa que hay una ganancia de fotorrespuesta en este MoS ₂ multicapa fototransistor y que se ve afectado por el sesgo de drenaje.

Características de la fotorrespuesta de MoS ₂ fototransistores en función de la intensidad de la luz iluminada. un Características de transferencia con una V constante _DS =3 V bajo iluminación con tres intensidades de luz diferentes (5, 7 y 10 mW / cm ² ). b Cambio en la fotocorriente con aumento en la intensidad de la luz cuando diferentes desviaciones de drenaje ( V _DS =9, 15 V) y una polarización de puerta constante ( V _GS =- 30 V) se aplican

Para observar el cambio en la fotorrespuesta según el voltaje de la puerta, medimos la fotocorriente mientras aumentamos el voltaje de drenaje de 3 a 27 V por debajo de 5 mW / cm ² iluminación ligera (Fig. 3a). A medida que aumenta la polarización de la puerta aplicada, la fotocorriente aumenta exponencialmente en el estado APAGADO ( V _GS < V _th ) y se satura en el estado ON ( V _th < V _GS ). Esto se debe a que, cuando la polarización de la puerta aplicada es - 30 V (estado APAGADO) y está iluminada (Fig. 3b), se forma una gran barrera entre el MoS ₂ canal y los electrodos de fuente / drenaje (Au). Por lo tanto, los electrones necesarios para mantener la neutralidad del canal, que fue destruida por los agujeros atrapados, no se inyectan bien en el canal. Sin embargo, a medida que la polarización de la puerta aumenta hasta el voltaje de umbral, la barrera se vuelve más pequeña y los electrones pueden difundirse fácilmente en el MoS ₂ canal. Por lo tanto, la fotocorriente aumenta exponencialmente antes del voltaje umbral. Por otro lado, si la polarización de la puerta se vuelve mayor que el voltaje de umbral, es decir, cuando el dispositivo se enciende, la barrera se baja lo suficiente y la fotocorriente se satura (Fig. 3c). También se notó que la fotocorriente aumenta tanto en los estados APAGADO como ENCENDIDO a medida que aumenta el sesgo de drenaje. Esto significa que, a diferencia de las propiedades de fotorrespuesta del fototransistor convencional, que se mide solo en el estado APAGADO [26, 32], hay una ganancia de fotorespuesta incluso en el estado ENCENDIDO a medida que aumenta el voltaje de drenaje.

Fotorespuesta de MoS ₂ fototransistores dependiendo del sesgo aplicado. un Fotocorriente en varios sesgos de drenaje (3, 9, 15, 21 y 27 V) y una intensidad de luz constante (5 mW / cm ² ) dependiendo del sesgo de la puerta. b, c Los diagramas de bandas de energía de un MoS ₂ multicapa fototransistor

Para verificar el efecto del sesgo de drenaje en la fotorrespuesta del MoS ₂ fototransistor en los estados APAGADO y ENCENDIDO, las características de la fotorrespuesta se midieron iluminándolo con luz y fijándolo a una polarización de puerta de - 30 y 27 V correspondientes al estado APAGADO y estado ENCENDIDO, respectivamente. La figura 4a muestra el cambio en la fotocorriente, y la figura 4b muestra la capacidad de respuesta y la detectividad específica según el sesgo de drenaje en el estado APAGADO. La detectividad específica se extrae de la ecuación [26, 33]:

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

donde R es la capacidad de respuesta, A es el área del MoS ₂ canal, q es la unidad de carga, y I _oscuro es la corriente oscura. En el estado APAGADO, la fotocorriente y la capacidad de respuesta aumentan exponencialmente con un mayor sesgo de drenaje. Por lo tanto, la fotocorriente (capacidad de respuesta), que fue 4.28 × 10 ⁻¹⁴ A (0,12 A / W) cuando el sesgo de drenaje era de 3 V y la intensidad de la luz era de 10 mW / cm ² , aumentó drásticamente a 1,57 × 10 ⁻⁸ A (4,53 A / W) cuando se aplicó una polarización de drenaje de 27 V. Estos resultados muestran que la fotocorriente y la capacidad de respuesta aumentan exponencialmente con el aumento del sesgo de drenaje. Por otro lado, en el estado ON, la fotocorriente (Fig. 4c) y la responsividad (Fig. 4d) aumentan linealmente y se saturan a medida que aumenta el sesgo de drenaje. Cuando la intensidad de la luz es constante a 5 mW / cm ² y el sesgo de drenaje aumentó de 3 a 27 V, la fotocorriente (capacidad de respuesta) aumentó 5 veces desde 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 receptividad. En el estado APAGADO (Fig. 4b), aumentó de 1,76 × 10 ⁸ Jones a 2,87 × 10 ⁸ Jones cuando el sesgo de drenaje se incrementó de 3 a 27 V con una intensidad de luz de 10 mW / cm ² . En el estado ON (Fig. 4d), aumentó de 6,14 × 10 ⁹ Jones a 8,63 × 10 ⁹ Jones cuando el sesgo de drenaje se incrementó de 3 a 27 V con una intensidad de luz de 5 mW / cm ² . Por lo tanto, dado que la corriente de difusión es dominante en el estado APAGADO, la capacidad de respuesta aumenta exponencialmente a medida que aumenta el sesgo de drenaje. Por otro lado, la corriente de deriva es dominante en el estado ON; por lo tanto, la capacidad de respuesta aumenta linealmente a medida que aumenta el sesgo de drenaje.

Características de fotorrespuesta medidas a cuatro irradiancias diferentes (5, 7, 8 y 10 mW / cm ² ) cuando aumenta la desviación del drenaje. un Fotocorriente, b responsividad y detectividad específica en el estado APAGADO. Inserciones en a y b se trazan con la escala logarítmica de la fotocorriente y la capacidad de respuesta, respectivamente. c Fotocorriente, d responsividad y detectividad específica en el estado ON

Las características observadas dependientes del sesgo de drenaje del MoS ₂ multicapa El fototransistor se puede explicar mediante el diagrama esquemático de bandas de energía que se muestra en la Fig. 5. Cuando el MoS ₂ multicapa El canal está iluminado, los pares de electrones y huecos se fotogeneran en el canal. Los agujeros fotogenerados están atrapados en el MoS ₂ canal, rompiendo así la neutralidad del canal. Entonces, el canal cargado positivamente atrae más electrones de la fuente para mantener la neutralidad, y la cantidad de electrones que se suministran desde la fuente determina la ganancia de fotorrespuesta. Cuando el sesgo de la puerta aplicada está por debajo del umbral, hay una gran barrera entre el MoS ₂ canal y la fuente como se muestra en la Fig. 5a y la corriente de drenaje está limitada por la difusión sobre la barrera. A medida que aumenta el sesgo de drenaje aplicado (Fig. 5b), la barrera se baja debido a la flexión del MoS ₂ canal, facilitando así el suministro de electrones para la neutralidad del canal. Por lo tanto, como se muestra en la Fig. 4b, la fotorrespuesta mejora exponencialmente para el sesgo de drenaje. Cuando la polarización de la puerta aplicada está por encima del umbral, la barrera entre MoS ₂ y la fuente es suficientemente baja (Fig. 5c), la corriente de drenaje está limitada por la deriva del portador en el canal. Por lo tanto, la velocidad de deriva del portador es un factor importante en la variación de la fotorreactividad. En este régimen, a medida que aumenta el sesgo de drenaje aplicado (Fig. 5d), la velocidad del portador y la fotorrespuesta aumentan linealmente y se saturan a un cierto sesgo de drenaje (~ 10 V) como se muestra en la Fig. 4d.

Diagrama de bandas de energía de MoS multicapa ₂ fototransistor bajo iluminación con una polarización de bajo drenaje en el APAGADO ( V _GS < V _th ) estado ( a ) y un sesgo de alto consumo en el estado APAGADO ( b ). Un sesgo de drenaje bajo en el ON ( V _GS > V _th ) estado ( c ) y un sesgo de alto consumo en el estado ON ( d )

Conclusiones

Fabricamos un MoS ₂ multicapa fototransistor -basado e investigado su sesgo (drenaje o puerta) -controlada fotorresponsividad en detalle. El cambio en la fotorreactividad según el sesgo se puede clasificar en dos casos:cuando el sesgo de la puerta es menor que el voltaje umbral (estado APAGADO) y cuando el sesgo de la puerta es mayor que el voltaje umbral (estado ENCENDIDO). Cuando la polarización de la puerta es menor que el voltaje umbral, una pequeña cantidad de electrones se difunden en el canal, debido a la gran barrera entre MoS ₂ y electrodo fuente. A medida que aumentan las desviaciones de la puerta o del drenaje, la altura de la barrera disminuye y aumenta el número de electrones inyectados en el canal para la neutralidad. Como resultado, la fotorreactividad aumenta exponencialmente. Por otro lado, cuando la polarización de la puerta es mayor que el voltaje umbral, la fotorrespuesta se ve afectada por la velocidad de la portadora en lugar de la altura de la barrera porque la corriente está limitada por la velocidad de deriva de la portadora. A medida que aumenta el sesgo de drenaje, la velocidad del portador aumenta linealmente y se satura. Por lo tanto, la fotorreactividad aumenta linealmente y se satura. Pudimos comprender las variaciones de capacidad de respuesta en MoS ₂ multicapa fototransistores basados ​​en la puerta o el drenaje de polarización. Por lo tanto, la ganancia se puede controlar para aumentar el rango de aplicación del MoS ₂ fototransistor y funcionar de manera óptima, según el propósito y el entorno.

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