Fotodetectores de Alto Rendimiento usando Heterouniones Laterales Monocapa MoS₂/WS₂

Resumen

Los diclorogenuros de metales de transición (TMDs) monocapa muestran potencial prometedor para optoelectrónica próxima generación debido a excelentes capacidades captura luz y fotodetección. Fotodetectores, como componentes importantes de sistemas sensado, imagen y comunicación, pueden percibir y convertir señales ópticas a eléctricas. Aquí, heterouniones laterales monocapa MoS₂/WS₂ de gran área y alta calidad se sintetizaron mediante enfoque deposición química vapor (CVD) líquido-fase en un paso. Medidas sistemáticas de caracterización verificaron buena uniformidad e interfaces nítidas de materiales canal. Como resultado, fotodetectores mejorados por efecto fotogating pueden ofrecer rendimiento competitivo, incluyendo responsividad ~567.6 A/W y detectividad ~7.17×10¹¹ Jones. Además, el ruido 1/f obtenido del espectro potencia corriente no es conducente al desarrollo fotodetectores, considerado originado por atrapamiento/desatrapeo portadores carga. Por tanto, este trabajo puede contribuir a dispositivos optoelectrónicos eficientes basados en heteroestructuras TMD monocapa laterales.

Introducción

Considerando mercado chips semiconductores casi medio billón dólares, materiales bidimensionales (2D) son actualmente uno de los candidatos más factibles y prometedores para extender ley Moore. Como miembro representativo familia 2D, TMDs han sido estudiados intensivamente debido a sus propiedades optoelectrónicas distintivas y aplicaciones potenciales en fotodetección y dispositivos emisión luz. Notablemente, banda prohibida ajustable, alta movilidad portadores, alta absorción óptica y espesor atómicamente delgado, haciendo TMDs materiales canal apropiados fotodetectores, juegan papel crucial en dispositivos optoelectrónicos o electrónicos. Aunque defectos cristalinos en TMDs dando lugar efecto atrapamiento portadores pueden resultar en alta fotosensibilidad, inevitablemente conducen a velocidad respuesta lenta. Además, algunos investigadores proponen mejora plasmónica para impulsar utilización luz limitada materiales 2D. Combinando respectivas superioridades y mostrando transporte electrónico único en unión, heteroestructuras TMD ya sea costura lateral o apilamiento vertical se presentan. Tales heteroestructuras pueden adaptar propiedades electrónicas intrínsecas y mejorar absorción óptica, mostrando características emergentes y diseñables. Por ejemplo, campo eléctrico incorporado o diferencia nivel energía inducida por heteroestructuras TMD debería acelerar separación fotoportadores, suprimir recombinación fotoportadores y reducir corriente oscura, beneficioso para fotodetección alto rendimiento. Además, grupo Wang certificó recombinación electrón-hueco (e-h) suprimida en heteroestructuras laterales. Como reportado previo, heteroestructuras laterales mostraron mayor movilidad portadores mientras verticales usualmente aumentaron área fotoactiva y/o mejoraron corriente impulso por área. Además, interfaces en-plano heteroestructuras laterales mostraron intensidad emisión fotoluminiscencia (PL) más fuerte que ambos lados. Sin embargo, emisión PL suprimida observada en hetero-interfaz vertical debido a recombinación radiativa directa reducida. Adicionalmente, tanto heteroestructuras laterales como verticales TMDs hacen posible crear nuevas transiciones excitónicas. En términos calidad red cristalina, heterouniones laterales MoX₂/WX₂ (X = S, Se, Te) podrían inducir defectos estructurales escasamente debido a configuración panal similar y parámetros red. Además, este tipo heterounión puede formar alineación banda tipo-II generalmente, deseable para fotodetección alta eficiencia. Según trabajo previo, heterounión lateral monocapa MoS₂/WS₂ prefiere exhibir alineación banda tipo-II con máximo banda valencia (VBM) localizado en WS₂ y mínimo banda conducción (CBM) en MoS₂. Por ejemplo, grupo Wu reportó VBM y CBM MoS₂ son 0.39 eV y 0.35 eV menores que WS₂ respectivamente. Desplazamiento banda entre MoS₂ y WS₂ determinando alineación banda estimable via diferentes posiciones orbital-d Mo y W. Heteroestructuras verticales preparables por transferencia mecánica y apilamiento, mientras laterales solo logrables por métodos crecimiento. Además, heteroestructuras verticales, como reportado previo, no pueden control preciso y fácilmente contaminadas en interfaces entre capas. Afortunadamente, heteroestructuras laterales sintetizables método un paso reducir contaminaciones. Hoy día, crecimiento heteroestructuras TMDs monocapa laterales gran área alta calidad permanece gran desafío. Por tanto, heterouniones laterales TMDs alta calidad gran área significativas y deseadas para desarrollo fotodetectores alto rendimiento. Aquí, heterouniones laterales monocapa MoS₂/WS₂ con interfaces nítidas y buena uniformidad vía método CVD líquido-fase un paso preparadas y fotodetectores fabricados basados estas heteroestructuras. Fotodetectores presentados entregan alta responsividad y detectividad 567.6 A/W y 7.17×10¹¹ Jones respectivamente. Este trabajo demuestra heterouniones laterales monocapa MoS₂/WS₂ pueden servir candidatos calificados aplicaciones optoelectrónicas próxima generación.

Métodos

Síntesis Heteroestructura

0.05 g tungstato sodio, 0.5 g molibdato amonio y 0.12 g NaOH (o KOH) partículas disueltos 10 mL agua desionizada (DI) para obtener solución precursora. Sustratos crecimiento (zafiro) tratados solución piraña mejorar hidrofilicidad superficie, luego solución precursora depositada uniformemente por spin-coating sustratos zafiro limpios. Tras eso, zafiro cubierto precursora y azufre colocados centro calentamiento y corriente arriba tubo cuarzo respectivamente. Centro calentamiento rampado 700 °C en 40 min y mantenido 10 min crecer bi-capas MoS₂-OH (monocapa MoS₂ y capa simple iones OH⁻ adheridos). Finalmente, gas portador cambiado Ar a Ar/H₂ (5% H₂), centro calentamiento calentado 780 °C dentro 10 min y mantenido 10 min permitir WS₂ crecer bordes bi-capas MoS₂-OH, formando heteroestructuras laterales MoS₂/WS₂. Más detalles síntesis heteroestructura refieren trabajo previo.

Proceso Transferencia

Método asistido poliestireno (PS) usado transferir heteroestructuras laterales WS₂/MoS₂ zafiro a sustratos SiO₂/Si. Solución PS (9 g PS disueltos 100 mL tolueno) primero spin-coated heteroestructuras 3500 rpm 60 s, luego muestra horneada 90 °C 10 min eliminar tolueno. Tras eso, película WS₂/MoS₂-PS obtenida gota agua, y película flotante WS₂/MoS₂-PS dragada con sustrato SiO₂/Si limpio. Muestra WS₂/MoS₂-PS-SiO₂/Si horneada 80 °C 1 h y luego 150 °C 30 min extender polímero eliminar posibles arrugas. Finalmente, película PS eliminada enjuagando tolueno varias veces obtener muestras WS₂/MoS₂-SiO₂/Si.

Fabricación Dispositivo

Litografía haz electrones estándar (EBL) usada definir marcadores y patrones electrodos sobre heterouniones laterales monocapa MoS₂/WS₂ crecidas. Electrodos Ti/Au (10 nm/100 nm) evaporados canal y lift-off acetona. Dispositivo recocido térmicamente 400 °C 2 h vacío y enfriado rápidamente temperatura ambiente.

Caracterización Material

Imágenes ópticas capturadas microscopio OLYMPUS (LV100ND). Raman, PL y mapeo AFM medidos espectrómetro confocal Raman-AFM (Witec, alpha300 RA) láser 532 nm.

Caracterización Dispositivo

Propiedades optoelectrónicas fotodetectores medidas estación sonda SemiProbe y analizador parámetros semiconductores (Keithley 4200) y Platform Design Automation (PDA, FS-Pro). Diferentes láseres longitud onda como fuentes luz usadas medir fotorespuesta fotodetectores. Diferentes densidades láser determinadas irradiómetro.

Resultados y Discusión

Figura 1a muestra imagen óptica heteroestructura lateral monocapa CVD-crecida, ilustrada contraste óptico. Espectros Raman correspondientes obtenidos diferentes posiciones marcadas 1 y 2 Fig. 1a confirman configuración MoS₂ interno (385.5 cm⁻¹ y 405.3 cm⁻¹) y WS₂ externo (351.5 cm⁻¹ y 416.5 cm⁻¹) Fig. 1b. Alta calidad cristalina MoS₂ y WS₂ implícita porque no pico oxidación observado espectros Raman correspondientes. Especialmente, autovalores MoS₂ y WS₂ ambos observados interfaz cosida marcada 3 Fig. 1a, indicando dos materiales forman en interfaz. Además, diferencia frecuencia entre modo E₂g y A₁g MoS₂ es 19.8 cm⁻¹, sugiriendo monocapa. Considerando WS₂, ratio intensidad pico modo acústico longitudinal (2LA) a 352 cm⁻¹ a modo A₁g, i.e. I₂LA/I_A1g, más preciso verificar espesor que diferencia frecuencia. Ratio estimado ~2, concordante monocapa WS₂ medido láser 532 nm. Desplazamiento rojo distinto modo E₂g (vibración en-plano) observable, resultante efecto aleación en heterouniones laterales. Comportamiento similar también observado heteroestructuras verticales, causado apantallamiento dieléctrico y acoplamiento inter-capa. Además, resultado mapeo Raman Fig. 1c con región azul MoS₂ y región roja WS₂ indica heteroestructura en-plano continua alta calidad. Figuras 1d, e también demuestran configuración MoS₂ interno WS₂ externo por mapeo PL. Varios puntos mostrando intensidades PL mejoradas región WS₂ explicables inhomogeneidad portadores causada impurezas o vacancias. Además, emisiones PL más fuertes interfaz que región MoS₂ interpretables como distribución inhomogénea portadores o mayor tasa recombinación fotoinducida portadores en bordes. Tanto mapeo Raman como PL sugieren interfaz nítida y bien cosida entre MoS₂ y WS₂. Espesor y morfología superficie medidos microscopio fuerza atómica (AFM) modo trapping. Pocos bordes grano resultantes dispersión portadores carga observados material interior pero bordes indicando mejor rendimiento transporte eléctrico Fig. 1f. Espesor WS₂ externo ~0.7 nm (fondo) consistente monocapa WS₂ CVD-crecida reportada previo, diferencia altura entre WS₂ y MoS₂ ~0.25 nm (tope), implicando MoS₂ monocapa. En general, resultados caracterización material demuestran heterounión lateral monocapa MoS₂/WS₂ con interfaz nítida.

Fotodetectores fabricados sistema EBL basados heterounión lateral MoS₂/WS₂. Figura 2a exhibe diagrama esquemático (arriba) dispositivo heterounión lateral y alineación banda tipo-II propuesta (abajo). Electrones y huecos transferidos y confinados región MoS₂ y WS₂ a través interfaz respectivamente, logrando conversión fotoeléctrica. Atribuimos esto a efecto fotogating, caso especial efecto fotoconductivo. Efecto fotogating puede funcionar como fotocompuerta local modulando conductancia canal. Imagen óptica dispositivo con área efectiva ~40 µm² descrita Fig. 2b con electrodos E1 y E2 como fuente y drenaje. Para determinar configuración heterounión, mapeo Raman combinado realizado (Fig. 2c), indicando materiales canal heterounión lateral MoS₂/WS₂ entre electrodos fuente y drenaje medidos (E1 y E2). Secciones azul, rojo, oscuro son MoS₂, WS₂, electrodos metal. Figura 2d muestra curvas característica salida semilogarítmica heterounión lateral bajo luz visible 405 nm, 520 nm, 635 nm respectivamente. Recuadro Fig. 2d revela relación I-V lineal entre canal y electrodos. Carácter I-V lineal conducente lograr alta responsividad pero pobre sensibilidad fotodetectores debido alta corriente oscura. Además, I_ph (I_light - I_dark) fotodetector aumenta 12.5 veces respecto antes recocido térmico, quizás atribuible disminución resistencia contacto, eliminación defectos, mejoras conductividades eléctricas. Figura 2e muestra características fotointerruptor excitado longitudes onda arriba. Corriente transitoria sube rápidamente cuando luz encendida y cae tan pronto luz apagada, implicando fotodetector puede servir interruptor activado luz rápido.

Características salida semilogarítmica misma longitud onda pero densidades potencia láser variadas Fig. 3a. Como esperado, fotocorriente aumenta al aumentar densidades potencia láser debido más portadores fotogenerados inducidos. Figura 3b curvas I-V misma densidad potencia láser pero diferentes longitudes onda incidente (diferente cantidad absorción luz y energía excitación óptica). Aunque longitud onda más corta posee menos fotones comparado longitud onda más larga misma densidad potencia láser. En esta instancia, corriente transitoria medida aumenta con disminución longitud onda irradiación. Puede causarse por absorción óptica reducida longitud onda más larga. Figura 3c describe corriente transitoria bajo iluminación láser periódica 10 s, indicando fotorespuesta estable reproducible. Para mayoría fotodetectores baja dimensional dominados efecto fotogating, velocidad respuesta limitada y alta responsividad obtenibles debido vida portador exceso prolongada. Tiempo subida/bajada definido tiempo requerido fotocorriente subir/bajar 10%/90% valor estable a 90%/10%. Tiempo subida/bajada relativamente largo causado recombinación portadores lenta, originada iluminación láser excitando muchos estados defectuosos. Por tanto, tiempo respuesta incluyendo subida y bajada sacrificado por efecto fotogating debido procesos atrapamiento carga larga vida. Algunos investigadores propuesto material canal alta calidad que ofrezca camino suave y corto transferencia portadores y estructura dispositivo óptima pueden mejorar velocidad respuesta. De hecho, figuras mérito dispositivos fotosensibles principalmente responsividad (R) y detectividad (D*). R calculable relaciones: R = I_ph / (P·S), donde P y S densidad potencia láser y área efectiva dispositivo respectivamente. Figura 3d muestra valores correspondientes R fotodetector diferentes densidades potencia láser. R campeón alcanza ~567.6 A/W entregando parámetro rendimiento competitivo. Alta R atribuida recombinación fotoportadores suprimida heteroestructura junto atrapamiento electrones región MoS₂ presumiblemente. R disminuida al aumentar densidad potencia láser revela efecto fotogating en fotodetector además. Además, fotocorriente y densidad potencia láser siguen ecuación ley potencia: I_ph = A·P^α, donde A constante y 0<α<1. Valor α, obtenido ajustando curva I_ph vs P Fig. 4a, relacionado proceso captura, recombinación y transferencia portadores. Relación sublineal entre I_ph y P sugiere presencia efecto fotogating dispositivo además. Valor α mayor (~0.73) obtenido cuando densidades potencia bajas aplicadas debido recombinación fotoportadores reducida e interacciones entre portadores. En contraste, densidades potencia altas resultan α degradado ~0.55 por pérdidas recombinación más fuertes y más estados trampa. Precondición D* calculado vía ecuación D* = R·(S/2e·I_dark)¹ᐟ² es que fotodetectores limitados ruido disparo como fuente ruido principal. Para evaluar D* más accurately, corriente ruido obtenida Fig. 4b medida diferentes frecuencias. Figura 4b muestra ruido 1/f típico en nuestros fotodetectores, impedimento significativo industria semiconductores nuevos materiales. Este ruido resulta principalmente impurezas cargadas y sitios atrapamiento canal conductor. Mayor calidad material y baja densidad defectos estructurales deseados reducir ruido 1/f. Según fórmula D* = R·(S·Δf)¹ᐟ² / I_noise, donde Δf ancho banda medición e I_noise corriente ruido, detectividad fotodetector ~7.17×10¹¹ Jones. Tabla 1 comparado algunos fotodetectores representativos con rendimiento fotorespuesta correspondiente basados materiales 2D. Relativamente alta R y D* nuestros fotodetectores muestran gran potencial dispositivos optoelectrónicos.

Conclusiones

En resumen, fotodetector alto rendimiento desarrollado basado heterounión lateral monocapa MoS₂/WS₂. Tamaño materiales canal crecidos método CVD líquido-fase un paso alcanza escala milimétrica. Además, materiales canal alta calidad con buena uniformidad e interfaz nítida examinados caracterizaciones materiales sistemáticas y mediciones dispositivo subsiguientes. Particularmente, alta responsividad 567.6 A/W y detectividad ~10¹¹ Jones logradas fotodetectores atribuyendo efecto fotogating. Rendimiento fotodetectores heterounión lateral MoS₂/WS₂ propuestos mejor o comparable trabajos reportados. Además, suponemos ruido 1/f indeseado surgido atrapamiento/desatrapeo portadores carga quizá reducido más material canal alta calidad sin defectos. Crecimiento CVD líquido-fase un paso facil y excelente rendimiento optoelectrónico fotodetectores pueden motivar investigación futura dispositivos optoelectrónicos basados heteroestructuras laterales.

Disponibilidad Datos y Materiales

Conjuntos datos apoyan conclusiones este artículo incluidos en artículo.