Fotorresponsividade dependente de polarização de fototransistores MoS2 multicamadas

Resumo

Nós estudamos a variação da fotorresponsividade em MoS multicamadas ₂ fototransistores conforme a polarização aplicada muda. O ganho de fotorresposta é obtido quando os orifícios fotogerados presos no MoS ₂ atrair elétrons da fonte. Assim, a fotorresponsividade pode ser controlada pelo viés de portão ou dreno. Quando a polarização da porta está abaixo da tensão de limiar, uma pequena quantidade de elétrons é difundida no canal, devido à grande barreira entre MoS ₂ e eletrodo fonte. Neste regime, à medida que a polarização do portão ou dreno aumenta, a barreira entre o MoS ₂ canal e a fonte tornam-se menores e o número de elétrons injetados no canal aumenta exponencialmente, resultando em um aumento exponencial na fotorresponsividade. Por outro lado, se a polarização da porta estiver acima da tensão de limiar, a fotorresponsividade é afetada pela velocidade da portadora, em vez da altura da barreira, porque a corrente de drenagem é limitada pela velocidade de deriva da portadora. Portanto, com um aumento na polarização do dreno, a velocidade do portador aumenta linearmente e torna-se saturada devido à saturação da velocidade do portador e, portanto, a fotorresponsividade também aumenta linearmente e se torna saturada.

Histórico

Recentemente, materiais de dichalcogeneto de metal de transição (TMD), incluindo dissulfeto de molibdênio (MoS ₂ ) e diseleneto de tungstênio (WSe ₂ ) têm recebido atenção considerável como o material de canal para dispositivos nanoeletrônicos de próxima geração [1,2,3,4,5,6]. Em particular, transistores de filme fino que usam MoS ₂ exibem características elétricas interessantes, como alta mobilidade de elétrons (~ 200 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ ), alta relação LIGAR / DESLIGAR de alta corrente (~ 10 ⁸ ), e oscilação de sublimiar baixo (~ 70 mV dec ⁻¹ ) em um MoS de camada única ₂ transistor [7]. Além disso, MoS ₂ está atraindo a atenção como uma camada de absorção de luz em dispositivos optoeletrônicos por causa de sua energia bandgap (MoS de camada única ₂ tem um bandgap direto de 1,8 eV [8] e MoS em massa ₂ tem um bandgap indireto de 1,2 eV [9]) e grande coeficiente de absorção ( α =1–1,5 × 10 ⁶ cm ⁻¹ para camada única [10] e 0,1–0,6 × 10 ⁶ cm ⁻¹ para granel [11]). Portanto, fototransistores usando MoS ₂ têm uma corrente escura baixa no estado DESLIGADO e alta fotorresposta. O desempenho do MoS ₂ os fototransistores foram aprimorados pela introdução de uma camada adicional, como grafeno [12,13,14,15], quantum dot [16,17,18], corante orgânico [19], WS ₂ [20,21,22], ZnO [23] e MoS tipo p ₂ [24] ou alterando o dielétrico da porta [7, 25, 26]. Desta forma, muitos estudos têm sido realizados ativamente para melhorar a fotorresposta por meio de processos de fabricação adicionais; no entanto, há uma falta de pesquisa sobre o controle de ganho e compreensão específica do MoS ₂ fototransistores. Quando o controle de ganho está habilitado, uma ampla faixa de intensidades de luz pode ser detectada com segurança e o ganho pode ser aumentado sem qualquer processo de fabricação adicional. Neste contexto, investigamos a fotorresponsividade controlada por polarização (dreno ou portão) em MoS multicamadas ₂ fototransistores.

Métodos

A Figura 1a mostra o diagrama esquemático do MoS multicamadas fabricado ₂ fototransistor. Nós aumentamos o SiO ₂ de 250 nm em um substrato de silício fortemente dopado com n. O MoS multicamadas ₂ flocos foram esfoliados mecanicamente a partir de MoS a granel ₂ (Supermercado de grafeno, EUA) e transferido para um SiO ₂ / Si substrato usando o método convencional de fita adesiva [27]. A fonte e os eletrodos de drenagem foram padronizados por fotolitografia e Ti / Au (5/80 nm) foram depositados no padronizado usando um evaporador de feixe eletrônico. A Figura 1b mostra a imagem AFM (Atomic Force Microscope) do fototransistor fabricado. O comprimento e a largura do canal são 7,31 e 4,74 μm, respectivamente, e a inserção mostra a espessura do MoS multicamadas ₂ é de aproximadamente 49 nm, o que corresponde a cerca de 75 camadas, assumindo que a espessura de uma camada é de 0,65 nm [28, 29].

O MoS fabricado ₂ fototransistor e características elétricas. a Diagrama esquemático do MoS multicamadas fabricado ₂ fototransistor. b Imagem do Microscópio de Força Atômica (AFM) do fototransistor. A inserção é o gráfico de seção transversal ao longo da linha vermelha na imagem AFM. c Transferir características do MoS multicamadas ₂ fototransistor com as tensões de dreno de 3, 9, 15, 21 e 27 V no escuro. d Variações na oscilação do sublimiar com aumento do viés de drenagem

Resultados e discussão

A Figura 1c mostra as características de transferência do MoS multicamadas ₂ fototransistor com polarizações de drenagem de 3, 9, 15, 21 e 27 V no escuro. As características de corrente-tensão do MoS multicamadas fabricado ₂ fototransistor foram medidos usando um medidor de fonte de canal duplo (Keithley 2614B) em temperatura ambiente e N ₂ ambiente. A relação ON / OFF é de aproximadamente 10 ⁵ . A mobilidade do efeito de campo foi estimada em 18,6 cm ² / V s para uma polarização de dreno de 3 V da seguinte equação [26]:
$$ {\ mu} _ {\ mathrm {eff}} =\ left ({g} _m \ cdot L \ \ right) / \ left (\ {C} _ {\ mathrm {OX}} \ cdot W \ cdot {V} _ {\ mathrm {DS}} \ right) $$ (1)
onde L é o comprimento do canal, W é a largura do canal e a capacitância do óxido C _OX é 1,38 × 10 ⁻⁸ F / cm ² . Foi claramente observado que quando o desvio do dreno é aumentado, a tensão do limiar diminui e a oscilação do sublimiar aumenta. Isso indica que a tensão de limite e a oscilação de sublimiar são afetadas pela polarização de drenagem. Em geral, a tensão limite é estimada pela equação:
$$ {V} _ {\ mathrm {th}} ={V} _ {\ mathrm {GS}} (0) - {V} _ {\ mathrm {DS}} / 2 $$ (2)
onde V _GS (0) é a interceptação entre a linha de tendência em uma parte linear da curva de transferência e o x -eixo. No entanto, a Eq. (2) assume um pequeno desvio de drenagem, de modo que os efeitos de saturação da velocidade são desprezíveis ( V _DS 〈〈 L ⋅ ν _sat / μ _eff =10 V, onde ν _sat é a velocidade de saturação e μ _eff é a mobilidade do efeito de campo); portanto, é difícil extrair a tensão limite exata para uma polarização de dreno grande. Por esse motivo, extraímos apenas a mudança na oscilação do subliminar e confirmamos o efeito do viés de drenagem no canal. A Figura 1d mostra a mudança na oscilação de subliminar extraída da inclinação da parte linear do log ( I _D ) - ( V _GS ) gráfico para diferentes enviesamentos de drenagem. A oscilação subliminar aumentou de 1,44 V / década para 3,14 V / década quando a polarização do dreno aumentou de 3 para 27 V. Isso implica que uma grande polarização do dreno reduz a barreira entre o MoS ₂ canal e o eletrodo fonte Au, enfraquecendo assim a controlabilidade do canal do viés de porta.

Para investigar a responsividade do MoS ₂ fototransistor, medimos as características de transferência em várias densidades de potência de iluminação usando um laser de estado sólido bombeado com diodo de comprimento de onda de 466 nm (DPSS). A Figura 2a mostra as características de transferência do MoS multicamadas ₂ fototransistor no escuro e sob três diferentes intensidades de luz (5, 7 e 10 mW / cm ² ), a uma tensão de dreno de 3 V. Conforme a intensidade da luz aumenta, a curva de transferência se desloca para a esquerda, o que mostra que os orifícios fotogerados estão presos no MoS ₂ canal e atuar como uma polarização de porta positiva [13, 30, 31]. A Figura 2b mostra que a variação da fotocorrente e responsividade quando a intensidade da luz e o viés de drenagem aumentam em um viés de porta constante de - 30 V. A fotocorrente é obtida pela diferença entre a corrente de dreno sob iluminação e no escuro ( I _ph = eu _iluminado - eu _escuro ), e a responsividade é definida por I _ph / P _leve , onde eu _ph é a fotocorrente e P _leve é a potência óptica iluminada no MoS ₂ canal. Conforme o desvio de dreno e a intensidade da luz aumentam, a fotocorrente e a responsividade aumentam. Considerando um laser com comprimento de onda de 466 nm, a responsividade correspondente a 100% da eficiência quântica externa (EQE) é 0,375 A / W, e a responsividade medida ultrapassa este valor, quando o desvio do dreno é 15 V e a intensidade da luz é 8 mW / cm ² . Isso significa que há um ganho de fotoresposta neste MoS multicamadas ₂ fototransistor e que é afetado pelo viés de drenagem.

Características da fotorresposta do MoS ₂ fototransistores dependendo da intensidade da luz iluminada. a Transferir características com uma constante V _DS =3 V sob iluminação com três diferentes intensidades de luz (5, 7 e 10 mW / cm ² ) b Mudança na fotocorrente com aumento na intensidade da luz quando diferentes vieses de drenagem ( V _DS =9, 15 V) e uma polarização de porta constante ( V _GS =- 30 V) são aplicados

A fim de observar a mudança na fotorresponsividade de acordo com a tensão da porta, medimos a fotocorrente enquanto aumentamos a tensão de dreno de 3 para 27 V abaixo de 5 mW / cm ² iluminação leve (Fig. 3a). À medida que a polarização da porta aplicada aumenta, a fotocorrente aumenta exponencialmente no estado OFF ( V _GS < V _th ) e fica saturado no estado LIGADO ( V _th < V _GS ) Isso ocorre porque, quando a polarização da porta aplicada é - 30 V (estado DESLIGADO) e está iluminada (Fig. 3b), uma grande barreira é formada entre o MoS ₂ canal e os eletrodos fonte / dreno (Au). Assim, os elétrons necessários para manter a neutralidade do canal, que foi destruída pelos buracos aprisionados, não são bem injetados no canal. No entanto, à medida que a polarização da porta aumenta até a tensão de limiar, a barreira se torna menor e os elétrons podem se difundir facilmente no MoS ₂ canal. Portanto, a fotocorrente aumenta exponencialmente antes da tensão limite. Por outro lado, se a polarização da porta for maior do que a tensão limite, ou seja, quando o dispositivo é ligado, a barreira é suficientemente abaixada e a fotocorrente saturada (Fig. 3c). Também foi notado que a fotocorrente aumenta em ambos os estados OFF e ON à medida que a polarização de drenagem aumenta. Isso significa que, ao contrário das propriedades de fotorresposta do fototransistor convencional, que é medido apenas no estado DESLIGADO [26, 32], há ganho de fotorresposta mesmo no estado LIGADO conforme a tensão de dreno aumenta.

Fotorresposta de MoS ₂ fototransistores dependendo da polarização aplicada. a Fotocorrente em várias polarizações de drenagem (3, 9, 15, 21 e 27 V) e uma intensidade de luz constante (5 mW / cm ² ) dependendo da polarização da porta. b, c Os diagramas de banda de energia de um MoS multicamadas ₂ fototransistor

A fim de verificar o efeito da polarização do dreno na fotorresponsividade do MoS ₂ fototransistor nos estados DESLIGADO e LIGADO, as características da fotorresposta foram medidas iluminando-o com luz e fixando-o a uma polarização de porta de - 30 e 27 V correspondendo ao estado DESLIGADO e LIGADO, respectivamente. A Figura 4a mostra a mudança na fotocorrente e a Fig. 4b mostra a responsividade e a detectividade específica de acordo com o desvio de dreno no estado OFF. A detectividade específica é extraída da equação [26, 33]:
$$ {D} ^ {\ ast} =R \ cdot {A} ^ {1/2} / {\ left (2 \ cdot q \ cdot {I} _ {\ mathrm {dark}} \ right)} ^ {1/2} $$ (3)
onde R é a responsividade, A é a área do MoS ₂ canal, q é a carga unitária e eu _escuro é a corrente escura. No estado OFF, a fotocorrente e a responsividade aumentam exponencialmente com um viés de drenagem mais alto. Portanto, a fotocorrente (responsividade), que era 4,28 × 10 ⁻¹⁴ A (0,12 A / W) quando a polarização de drenagem era 3 V e a intensidade da luz era 10 mW / cm ² , aumentou acentuadamente para 1,57 × 10 ⁻⁸ A (4,53 A / W) quando o viés de drenagem de 27 V foi aplicado. Esses resultados mostram que a fotocorrente e a responsividade aumentam exponencialmente com o aumento do viés de drenagem. Por outro lado, no estado LIGADO, a fotocorrente (Fig. 4c) e a responsividade (Fig. 4d) aumentam linearmente e tornam-se saturadas à medida que o desvio do dreno aumenta. Quando a intensidade da luz é constante em 5 mW / cm ² e a polarização de drenagem foi aumentada de 3 para 27 V, a fotocorrente (responsividade) aumentou 5 vezes de 2,9 × 10 ⁻⁶ A (1677 A / W) a 1,5 × 10 ⁻⁵ A (8667 A / W). Além disso, a detectividade apresentou a mesma tendência da responsividade. No estado DESLIGADO (Fig. 4b), aumentou de 1,76 × 10 ⁸ Jones para 2,87 × 10 ⁸ Jones quando a polarização de drenagem foi aumentada de 3 para 27 V sob uma intensidade de luz de 10 mW / cm ² . No estado LIGADO (Fig. 4d), aumentou de 6,14 × 10 ⁹ Jones para 8,63 × 10 ⁹ Jones quando a polarização de drenagem foi aumentada de 3 para 27 V sob uma intensidade de luz de 5 mW / cm ² . Portanto, uma vez que a corrente de difusão é dominante no estado OFF, a responsividade aumenta exponencialmente à medida que a polarização do dreno aumenta. Por outro lado, a corrente de deriva é dominante no estado LIGADO; portanto, a responsividade aumenta linearmente à medida que o viés de drenagem aumenta.

Características de fotorresposta medidas em quatro irradiâncias diferentes (5, 7, 8 e 10 mW / cm ² ) quando o viés de drenagem é aumentado. a Fotocorrente, b responsividade e detectividade específica no estado OFF. Inserções em a e b são plotados com a escala logarítmica da fotocorrente e responsividade, respectivamente. c Fotocorrente, d responsividade e detectividade específica no estado ON

As características dependentes de polarização de drenagem observadas do MoS multicamadas ₂ o fototransistor pode ser explicado pelo diagrama esquemático da banda de energia mostrado na Fig. 5. Quando o MoS multicamadas ₂ canal é iluminado, os pares elétron-buraco são fotogerados no canal. Os orifícios fotogerados estão presos no MoS ₂ canal, quebrando assim a neutralidade do canal. Então, o canal carregado positivamente atrai mais elétrons da fonte para manter a neutralidade, e a quantidade de elétrons fornecidos pela fonte determina o ganho da fotorresposta. Quando a polarização da porta aplicada está abaixo do limite, há uma grande barreira entre o MoS ₂ canal e a fonte como mostrado na Fig. 5a e a corrente de drenagem é limitada pela difusão sobre a barreira. Conforme a polarização de drenagem aplicada aumenta (Fig. 5b), a barreira é reduzida devido à curvatura do MoS ₂ canal, facilitando assim o fornecimento de elétrons para a neutralidade do canal. Portanto, como mostrado na Fig. 4b, a fotorresponsividade melhora exponencialmente para o viés de drenagem. Quando a polarização da porta aplicada está acima do limite, a barreira entre MoS ₂ e a fonte é suficientemente baixa (Fig. 5c), a corrente de drenagem é limitada pelo desvio da portadora no canal. Portanto, a velocidade de deriva da portadora é um fator importante na variação da fotorresponsividade. Neste regime, à medida que a polarização do dreno aplicado aumenta (Fig. 5d), a velocidade do portador e a fotorresposta aumenta linearmente e saturam em uma certa polarização do dreno (~ 10 V), conforme mostrado na Fig. 4d.

Diagrama de banda de energia de MoS multicamadas ₂ fototransistor sob iluminação em uma polarização de baixo dreno no OFF ( V _GS < V _th ) estado ( a ) e um viés de drenagem alto no estado DESLIGADO ( b ) Um viés de baixo dreno no ON ( V _GS> V _th ) estado ( c ) e um viés de drenagem alto no estado LIGADO ( d )

Conclusões

Nós fabricamos um MoS multicamadas ₂ baseado em fototransistor e investigou sua fotorresposta controlada por polarização (dreno ou portão) em detalhes. A mudança na fotorresponsividade de acordo com a polarização pode ser classificada em dois casos:quando a polarização da porta é menor do que a tensão de limiar (estado OFF) e quando a polarização da porta é maior que a tensão de limiar (estado ON). Quando a polarização da porta é menor do que a tensão de limiar, uma pequena quantidade de elétrons é difundida no canal, devido à grande barreira entre MoS ₂ e eletrodo fonte. À medida que os enviesamentos de porta ou dreno aumentam, a altura da barreira diminui e o número de elétrons injetados no canal para a neutralidade aumenta. Como resultado, a fotorresponsividade aumenta exponencialmente. Por outro lado, quando a polarização da porta é maior do que a tensão de limiar, a fotorresposta é afetada pela velocidade da portadora, e não pela altura da barreira, porque a corrente é limitada pela velocidade de deriva da portadora. À medida que a polarização do dreno aumenta, a velocidade da portadora aumenta linearmente e se torna saturada. Portanto, a fotorresponsividade aumenta linearmente e se torna saturada. Conseguimos entender as variações de responsividade no MoS multicamadas ₂ com base em fototransistores de acordo com o viés de portão ou dreno. Desse modo, o ganho pode ser controlado para aumentar a faixa de aplicação do MoS ₂ fototransistor e para operar de forma otimizada, dependendo da finalidade e do ambiente.

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