Homounión In-Plane de WSe₂ mediante Puerta de Interfaz: Un Fotodetector de Alto Rendimiento

Resumen

Los diclorogenuros de metales de transición bidimensionales (TMDC) han atraído gran interés para la nanoelectrónica y la nanooptoelectrónica debido a sus propiedades únicas. En particular, el WSe₂, con su capacidad de transporte bipolar de portadores y una banda prohibida considerable, es un candidato prometedor para futuros fotodetectores. Aquí presentamos una homounión in-plane de WSe₂ formada por la puerta de interfaz del sustrato. En esta arquitectura, se utilizó un copo aislante de h-BN para que solo una parte del copo de WSe₂ contactara directamente con el sustrato. Finalmente, las estructuras WSe₂/sustrato y WSe₂/h-BN/sustrato construyen una homounión in-plane. Sorprendentemente, el dispositivo puede operar tanto en modo fotovoltaico como fotoconductivo a diferentes polarizaciones. Como resultado, se obtiene simultáneamente una responsividad de 1,07 A/W con una detectividad superior a 10¹² jones y un tiempo de respuesta rápido de 106 µs. Comparado con métodos previos basados en dopaje químico o compuertas electrostáticas con voltajes de sesgo adicionales, nuestro diseño proporciona una vía más sencilla y eficiente para el desarrollo de fotodetectores basados en WSe₂ de alto rendimiento.

Introducción

En la última década, los diclorogenuros de metales de transición bidimensionales (TMDC) han despertado gran atención debido a sus propiedades particulares. La alta movilidad in-plane, la banda prohibida ajustable, la flexibilidad mecánica, la fuerte interacción luz-materia y la fácil procesabilidad los hacen muy competitivos para futuros dispositivos nanooptoelectrónicos [1-20]. Especialmente, el diseleniuro de tungsteno (WSe₂), un semiconductor bipolar con manipulación fácil del tipo de portador, permite aplicaciones notables en fotodetectores basados en uniones [21-28]. Hasta ahora, las principales estrategias para construir uniones exclusivamente en WSe₂ incluyen el dopaje químico y la compuerta electrostática. Por ejemplo, recientemente se reportó una unión p-n intramolecular de WSe₂ [26]. La región n y la región p dentro del WSe₂ se formaron mediante dopaje químico con polietilenimina y control de compuerta trasera, respectivamente. La unión p-n presentó una responsividad de 80 mA/W y un tiempo de respuesta de 200 µs. Sun et al. doparon WSe₂ usando bromuro de cetiltrimetilamonio para formar una unión p-n intramolecular, donde la responsividad y el tiempo de respuesta son 30 A/W y ~7 ms, respectivamente [27]. Baugher et al. demostraron una unión p-n lateral de WSe₂ lograda por compuerta electrostática aplicando dos voltajes de compuerta con polaridad opuesta. Se obtuvo una responsividad de 210 mA/W [28]. Sin embargo, debido a las impurezas químicas inevitables y a los múltiples ajustes de sesgo necesarios, estos métodos hacen que la fabricación y aplicación de dispositivos basados en uniones sea compleja y difícil. El ensamblaje de diversos materiales 2D para construir heteroestructuras verticales de van der Waals como la unión WSe₂/MoS₂ [29] se ha vuelto popular para el desarrollo de nuevos fotodetectores. Pero, en esta configuración, el proceso de transporte de portadores entre diferentes materiales estratificados sufre de defectos de interfaz, lo que restringe la velocidad de respuesta del dispositivo. Para la unión Schottky formada entre metales y materiales 2D, la altura de la barrera Schottky suele estar determinada por el anclaje del nivel de Fermi, que es incontrolable y tiene un gran impacto en la responsividad de los dispositivos. Además, los trabajos reportados no parecen poseer tanto alta responsividad como velocidad de respuesta rápida.

Aquí demostramos una forma sencilla y más eficiente de realizar una homounión in-plane de WSe₂. En la arquitectura, parte del canal de WSe₂ está sobre el sustrato Si/SiO₂ y la otra parte sobre el copo de h-BN. Este esquema es común en memorias de compuerta flotante/semi-flotante, donde el h-BN se adopta como capa dieléctrica de compuerta [30, 31]. Las cargas almacenadas en un lado de la capa de h-BN pueden regular la conductividad del material en el otro lado. En nuestro trabajo, sin embargo, el copo de h-BN como aislante perfecto se usa para eliminar el efecto de la puerta de interfaz en el canal de WSe₂. La polaridad del WSe₂, que está solo sobre el sustrato Si/SiO₂, puede ser modulada por la puerta de interfaz. Como resultado, los dispositivos operan bien en modo fotovoltaico (FV) a sesgo cero. Mientras tanto, exhiben características fotoconductivas (FC) a alto sesgo. Se obtiene simultáneamente una responsividad de 1,07 A/W con una detectividad superior de 10¹² jones y un tiempo de respuesta rápido de 106 µs, sin el diseño de dispositivo intrincado y el riesgo de introducir impurezas químicas adicionales.

Resultados y Discusión

La Figura 1a muestra un esquema de la homounión in-plane de WSe₂. Se observa que parte del copo de WSe₂ se coloca sobre el copo de h-BN (WSe₂-h) y la otra parte contacta directamente el sustrato Si/SiO₂ (WSe₂-S). La función del h-BN es aislar la puerta de interfaz (PI) del sustrato Si/SiO₂ sobre el WSe₂-h. Así, la formación de la homounión entre WSe₂-h y WSe₂-S depende principalmente de la PI modulando la polaridad del WSe₂-S. La PI es producida por las cargas atrapadas en la superficie del SiO₂. Esto se discutirá en detalle a continuación. La Figura 1b presenta la imagen óptica del dispositivo. Cuatro electrodos (E1-E4, Ti/Au) fueron preparados por litografía de haz de electrones, metalización y proceso lift-off. El espesor de los materiales se caracteriza por microscopía de fuerza atómica (AFM) (ver Fig. 1c). La altura del WSe₂ (h-BN) en contacto directo con el sustrato Si/SiO₂ (líneas punteadas blancas) se midió como 65 (23) nm (ver Fig. 1d, e). Se observa una pendiente en lugar de un escalón agudo en el perfil de altura entre el WSe₂ (h-BN) y el sustrato Si/SiO₂. Esto puede deberse al fotorresistente residual en el borde del material. La Figura 1f muestra los espectros Raman de los copos de WSe₂ y h-BN. Para el WSe₂, los modos Raman E₂g y A₁g de primer orden se distinguen claramente ~250 cm⁻¹, sugiriendo que el WSe₂ tiene una morfología multicapa [32, 33]. Para el h-BN, se observa el pico Raman del modo E₂g en ~1370 cm⁻¹. Debido a la gran banda prohibida del h-BN, la señal Raman es débil comparada con la del WSe₂ [34].

Para explorar el efecto del sustrato sobre el WSe₂, se estudiaron por separado las características de transferencia del WSe₂-S y WSe₂-h. Como se muestra en la Fig. 2a, ambas curvas de transferencia exhiben comportamiento bipolar y se observa una histéresis obvia en la curva del WSe₂-S (negra) comparada con la del WSe₂-h (roja). La corriente del WSe₂-h es mayor que la del WSe₂-S. La pendiente pronunciada en la curva del WSe₂-h indica una transconductancia relativamente grande, proporcional a la movilidad de portadores. Para el WSe₂-S, la histéresis se atribuye al atrapamiento de cargas en la superficie del SiO₂ [35-38]. Cuando Vg se barrió de -30 a 0 V, el Vg negativo hace que el WSe₂ se poblue de huecos y arrastra algunos huecos hacia el SiO₂ (ver Fig. 2b). Los huecos atrapados en el SiO₂ generan una puerta local positiva, es decir, PI, que modula la conductancia del WSe₂ a su vez (efecto de depleción débil). Por lo tanto, el punto de neutralidad de carga de Vg aparece alrededor de -5 V. Similarmente, cuando Vg se barrió de 30 a 0 V, el Vg positivo hace que el WSe₂ se poblue de electrones y también arrastra algunos electrones hacia el SiO₂ (ver Fig. 2c). Los electrones atrapados en el SiO₂ generan una PI negativa que modula la conductancia del WSe₂ a su vez (el mismo efecto de depleción débil). Así, el punto de neutralidad de carga de Vg aparece alrededor de 5 V. Para el WSe₂-h, el copo de h-BN inhibe la transferencia de portadores entre el WSe₂ y el SiO₂ bajo modulación de Vg. Esta es la razón de la histéresis no obvia en la curva del WSe₂-h. Por lo tanto, una homounión in-plane puede formarse simplemente aprovechando la PI.

La Figura 3a muestra las curvas Id-Vd del dispositivo en condiciones de oscuridad y luz a Vg = 0 V. El voltaje fuente-drenaje se aplica en los electrodos E2 y E3 (ver recuadro). Se observa que las corrientes de cortocircuito (a Vd = 0 V) aumentan con la potencia incidente, indicando un efecto fotovoltaico. Curiosamente, las curvas también presentan características fotoconductivas a Vd = ±1 V. Para el primero, las fotocorrientes se atribuyen a la homounión. Como se muestra en la Fig. 3b, aunque Vd y Vg se establecieron en 0 V, algunos huecos ya atrapados en el SiO₂ forman una pequeña PI positiva que modula el WSe₂-S. Así, el WSe₂-S tipo n⁻ y el WSe₂-h intrínseco (sin el efecto de PI debido al aislamiento por el copo de h-BN) constituyen una homounión in-plane. Bajo iluminación, los pares electrón-hueco fotoexcitados serán separados por el campo interno de la homounión. Aunque las curvas Id-Vd presentan bien la característica fotovoltaica a sesgo cero, la homounión no mostró un comportamiento rectificador quizá debido al campo interno relativamente débil comparado con el Vd aplicado externamente. Para el segundo, todo el copo de WSe₂ como fotoconductor responde a la señal de luz a alto sesgo. Los portadores fotoexcitados serán impulsados a los electrodos por Vd. Por lo tanto, la fotorrespuesta en la Fig. 3a es el resultado del efecto sinérgico de los modos FV y FC. Las responsividades en función de la potencia de luz para diferentes Vd se resumen en la Fig. 3c, dadas por R = Iph/(P·A), donde Iph es la fotocorriente, P es la intensidad de potencia, y A es el área fotosensible efectiva del detector [39, 40]. Durante el cálculo, el área fotosensible efectiva, es decir, la parte de WSe₂ entre E2 y E3, es 115,75 µm². Se obtienen responsividades de 1,07 A/W y 2,96 A/W para Vd de 0 V y 1 V, respectivamente. La detectividad específica (D*) como parámetro importante determina la capacidad de un fotodetector para responder a una señal de luz débil. Asumiendo que el ruido de disparo de la corriente oscura es la contribución principal, D* puede definirse como D* = R·A¹ᐟ²/(2·e·Idark)¹ᐟ², donde R es la responsividad, A es el área fotosensible efectiva, e es la carga del electrón, e Idark es la corriente oscura [41, 42]. Beneficiándose de la Idark extremadamente baja, se logran D* de 3,3×10¹² jones y 1,78×10¹¹ jones para Vd de 0 V y 1 V, respectivamente. Además, se ha estudiado el tiempo de respuesta como figura de mérito clave. Como se muestra en la Fig. 3d, se han obtenido un estado de corriente alta y uno bajo a Vd = 0 V con modulación de luz. La fotorrespuesta transitoria exhibe características altamente estables y reproducibles. La Fig. 3e da un solo ciclo de modulación de la respuesta temporal. El tiempo de subida (tr), definido como el tiempo necesario para que la corriente aumente del 10% al 90% de Ipeak, se encontró en ~106 µs, y el tiempo de bajada (tf), definido análogamente, se encontró en ~91 µs. La Figura S1 muestra la respuesta temporal del dispositivo adquirida a Vd = 1 V. tr y tf se encontraron en ~105 µs y ~101 µs, respectivamente. La Tabla 1 resume los reportes de homounión de WSe₂ formados por diferentes métodos. Obviamente, el dispositivo en nuestro trabajo tiene alta D*, R comparable y velocidad de respuesta relativamente rápida. Además, la Figura S2 presenta las características de fotorrespuesta de otros tres dispositivos. Corrientes FV y FC distintas pueden observarse a sesgo cero y alto sesgo, respectivamente. La detectividad de todas las homouniones de WSe₂ es superior a 10¹² jones, y el tiempo de respuesta es un poco más de 100 µs, demostrando que nuestros dispositivos pueden repetir la fotodetección de alto rendimiento muy bien.

La Figura 4a y b presentan las características Id-Vd del WSe₂-h y WSe₂-S por separado. Las curvas de ambos WSe₂-h y WSe₂-S exhiben propiedad fotoconductiva, y no hay fotocorriente a sesgo cero. De hecho, Ti/WSe₂/Ti debería suponer una estructura metal/semiconductor/metal que contiene dos uniones Schottky con campo interno opuesto. Así, las curvas Id-Vd deberían cruzar el punto cero y exhibir comportamiento FC. En nuestro caso, debido a las diferentes funciones de trabajo del WSe₂-h y WSe₂-S, hay dos contactos Schottky asimétricos, es decir, E2/WSe₂-S y E3/WSe₂-h, como se muestra en la Fig. 4c. A sesgo cero, la dirección de las fotocorrientes netas originadas en las uniones Schottky es opuesta a la de la homounión, y el resultado experimental mostrado en la Fig. 3a es consistente con esta última. Por lo tanto, la homounión formada entre WSe₂-h y WSe₂-S es la razón de las fotocorrientes de cortocircuito.

Para demostrar aún más que la fotorrespuesta a sesgo cero se atribuye a la homounión, se investigaron las propiedades de salida midiendo las curvas Id-Vd del dispositivo con el voltaje fuente-drenaje aplicado en los electrodos E1 y E4. Como se muestra en la Figura S3a, las curvas, igual que la situación en la Fig. 3a, también exhiben características FV y FC. Como se discutió arriba, para la primera, las fotocorrientes se atribuyen al campo interno de la homounión in-plane formada entre WSe₂-S y WSe₂-h. Para la segunda, las fotocorrientes se atribuyen a la recolección de portadores fotoexcitados por el Vd aplicado externamente. Las responsividades en función de la potencia de luz para diferentes Vd se resumen en la Figura S3b. Las responsividades (detectividades) de 0,51 A/W (2,21×10¹² jones) y 3,55 A/W (5,54×10¹² jones) se obtienen para Vd de 0 V y 1 V, respectivamente. Durante el cálculo, el área fotosensible efectiva, es decir, la parte de WSe₂ entre E1 y E4, es 519,4 µm². El tiempo de respuesta medido a sesgo cero se muestra en la Figura S3c y 3d, donde el tiempo de subida es 289 µs y el de bajada es 281 µs. Para Vd de 1 V (Figura S3e y 3f), los tiempos de subida y bajada son 278 µs y 250 µs, respectivamente. La velocidad de respuesta es un poco más lenta que la medida entre los electrodos E2 y E3, porque el canal conductor relativamente largo aumenta la distancia de transmisión de fotoportadores y la probabilidad de interacción entre fotoportadores y defectos.

Conclusiones

En resumen, hemos demostrado una homounión in-plane de WSe₂ sintonizando eléctricamente parte del copo de WSe₂ a través de la puerta de interfaz. Comparado con enfoques existentes como el dopaje químico y la compuerta electrostática aprovechando dos voltajes de compuerta, este diseño da una ruta más sencilla para realizar la homounión de WSe₂. Con iluminación, el dispositivo produce fotocorrientes de cortocircuito distintas con una detectividad de 3,3×10¹² jones. A alto sesgo, el dispositivo presenta característica fotoconductiva y genera fotocorrientes con una detectividad de 1,78×10¹¹ jones. Un tiempo de respuesta tan rápido como 106 µs también se obtiene simultáneamente. Nuestro estudio proporciona una forma eficiente y fiable para el desarrollo de fotodetectores basados en WSe₂ de alto rendimiento.

Métodos

Tanto el WSe₂ como el h-BN a granel fueron comprados de Shanghai Onway Technology Co., Ltd. Primero, los copos de h-BN y WSe₂ fueron exfoliados mecánicamente sobre un sustrato p⁺-Si/SiO₂ (300 nm) y una capa de polidimetilsiloxano (PDMS), respectivamente. Luego, se usó un micromanipulador para colocar el copo de WSe₂, adherido al PDMS, sobre el copo de h-BN objetivo a través del microscopio para localizar la posición. Parte del copo de WSe₂ se superpone al copo de h-BN. Finalmente, el copo de WSe₂ fue liberado del PDMS calentando el sustrato. Los electrodos (Ti/Au) fueron preparados por litografía de haz de electrones, metalización y proceso lift-off. Las mediciones de fotorrespuesta se realizaron usando el analizador de parámetros semiconductores Agilent B1500 y un diodo láser con longitud de onda de 637 nm.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Los datos que respaldan los hallazgos de este trabajo están disponibles del autor correspondiente bajo solicitud razonable.

Abreviaturas

TMDC:

Diclorogenuros de metales de transición

FV:

Fotovoltaico

FC:

Fotoconductivo

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

PI:

Puerta de interfaz

PDMS:

Polidimetilsiloxano