Controle da Fotoresponsividade em Fototransistores de MoS₂ Multicamada Através de Bias Aplicado

Resumo

Estudamos variação da fotoresponsividade em fototransistores de MoS₂ multicamada conforme bias aplicado muda. Ganho de fotoresposta é atingido quando lacunas fotogeradas aprisionadas no MoS₂ atraem elétrons da fonte. Assim, fotoresponsividade pode ser controlada por bias de gate ou drain. Quando bias de gate está abaixo da tensão de limiar, pequena quantidade de elétrons difundem no canal, devido a grande barreira entre MoS₂ e eletrodo fonte. Neste regime, à medida que bias de gate ou drain aumenta, barreira entre canal MoS₂ e fonte torna-se menor e número de elétrons injetados no canal aumenta exponencialmente, resultando em aumento exponencial da fotoresponsividade. Por outro lado, se bias de gate está acima da tensão de limiar, fotoresponsividade é afetada pela velocidade de portadores em vez de altura da barreira porque corrente de drain é limitada pela velocidade de deriva dos portadores. Portanto, com aumento de bias de drain, velocidade de portadores aumenta linearmente e satura devido a saturação de velocidade de portadores, e fotoresponsividade também aumenta linearmente e satura.

Introdução

Recentemente, materiais dicalcogenídeos de metais de transição (TMD) incluindo dissulfeto de molibdênio (MoS₂) e disseleneto de tungstênio (WSe₂) receberam atenção considerável como material de canal para dispositivos nanoeletrônicos de próxima geração. Em particular, transistores de filme fino usando MoS₂ exibem características elétricas interessantes como alta mobilidade eletrônica (~200 cm² V⁻¹ s⁻¹), alta razão corrente LIGA/DESLIGA (~10⁸) e baixo swing sublimiar (~70 mV dec⁻¹) em transistor MoS₂ monocamada. Além disso, MoS₂ atrai atenção como camada absorvedora de luz em dispositivos optoeletrônicos devido à sua energia de banda proibida (MoS₂ monocamada tem banda proibida direta 1,8 eV e MoS₂ bulk tem banda proibida indireta 1,2 eV) e grande coeficiente de absorção (α = 1-1,5 × 10⁶ cm⁻¹ para monocamada e 0,1-0,6 × 10⁶ cm⁻¹ para bulk). Portanto, fototransistores usando MoS₂ têm baixa corrente escura no estado DESLIGADO e alta fotoresponsividade. Desempenho de fototransistores MoS₂ foi melhorado introduzindo camada adicional como grafeno, ponto quântico, corante orgânico, WS₂, ZnO e MoS₂ tipo-p ou alterando dielétrico de gate. Dessa forma, muitos estudos foram conduzidos ativamente para melhorar fotoresponsividade através de processos adicionais de fabricação; no entanto, há falta de pesquisa sobre controle de ganho e entendimento específico de fototransistores MoS₂. Quando controle de ganho é habilitado, ampla gama de intensidades de luz pode ser detectada confiavelmente, e ganho pode ser aumentado sem processo de fabricação adicional. Neste contexto, investigamos fotoresponsividade controlada por bias (drain ou gate) em fototransistores MoS₂ multicamada.

Métodos

Figura 1a mostra diagrama esquemático do fototransistor MoS₂ multicamada fabricado. Crescemos 250 nm SiO₂ em substrato de silício fortemente dopado tipo-n. Flocos de MoS₂ multicamada foram esfoliados mecanicamente de MoS₂ bulk (Graphene Supermarket, EUA) e transferidos para substrato SiO₂/Si usando método convencional fita adesiva. Eletrodos fonte e drain foram padronizados por fotolitografia e Ti/Au (5/80 nm) depositados no padrão usando evaporador e-beam. Figura 1b mostra imagem AFM (Microscópio de Força Atômica) do fototransistor fabricado. Comprimento e largura do canal são 7,31 e 4,74 µm, respectivamente, e inseto mostra espessura do MoS₂ multicamada aproximadamente 49 nm, correspondendo a cerca de 75 camadas, assumindo espessura de uma camada 0,65 nm.

Resultados e Discussão

Figura 1c mostra características de transferência do fototransistor MoS₂ multicamada com biases de drain 3, 9, 15, 21 e 27 V no escuro. Características corrente-tensão do fototransistor MoS₂ multicamada fabricado foram medidas usando medidor de fonte dual-canal (Keithley 2614B) a temperatura ambiente e ambiente N₂. Razão LIGA/DESLIGA aproximadamente 10⁵. Mobilidade de efeito de campo estimada em 18,6 cm²/V·s para bias de drain 3 V da equação [26]. Observou-se claramente que quando bias de drain aumenta, tensão de limiar diminui e swing sublimiar aumenta. Isso indica que tensão de limiar e swing sublimiar são afetados pelo bias de drain. Em geral, tensão de limiar estimada pela equação: V_th = V_GS(0) - V_DS/2, onde V_GS(0) é intercepto entre linha de tendência em parte linear da curva de transferência e eixo x. No entanto, Eq. (2) assume bias de drain pequeno de forma que efeitos de saturação de velocidade são negligenciáveis; portanto, difícil extrair tensão de limiar exata para bias de drain grande. Por esta razão, extraímos apenas mudança no swing sublimiar e confirmamos efeito do bias de drain no canal. Figura 1d mostra mudança no swing sublimiar extraída da inclinação da parte linear do gráfico log(I_D) - (V_GS) para diferentes biases de drain. Swing sublimiar aumentou de 1,44 V/década para 3,14 V/década quando bias de drain aumentou de 3 para 27 V. Isso implica que grande bias de drain reduz barreira entre canal MoS₂ e eletrodo fonte Au, enfraquecendo controlabilidade do canal pelo bias de gate.

Para investigar responsividade do fototransistor MoS₂, medimos características de transferência em várias densidades de potência de iluminação usando laser DPSS de comprimento de onda 466 nm. Figura 2a mostra características de transferência do fototransistor MoS₂ multicamada no escuro e sob três intensidades de luz diferentes (5, 7 e 10 mW/cm²), a tensão de drain 3 V. À medida que intensidade de luz aumenta, curva de transferência desloca para esquerda, mostrando que lacunas fotogeradas são aprisionadas no canal MoS₂ e atuam como bias de gate positivo. Figura 2b mostra variação de fotocorrente e responsividade quando intensidade de luz e bias de drain aumentam em bias de gate constante -30 V. Fotocorrente obtida pela diferença entre corrente de drain sob iluminação e no escuro (I_ph = I_iluminado - I_escuro), e responsividade definida por I_ph/P_light, onde I_ph é fotocorrente e P_light é potência óptica iluminada no canal MoS₂. À medida que bias de drain e intensidade de luz aumentam, fotocorrente e responsividade aumentam. Considerando laser com comprimento de onda 466 nm, responsividade correspondente a 100% eficiência quântica externa (EQE) é 0,375 A/W, e responsividade medida excede este valor quando bias de drain é 15 V e intensidade de luz 8 mW/cm². Isso significa que há ganho de fotoresposta neste fototransistor MoS₂ multicamada e que é afetado pelo bias de drain.

Para observar mudança na fotoresponsividade conforme tensão de gate, medimos fotocorrente aumentando tensão de drain de 3 a 27 V sob iluminação 5 mW/cm² (Fig. 3a). À medida que bias de gate aplicado aumenta, fotocorrente aumenta exponencialmente no estado DESLIGADO (V_GS < V_th) e satura no estado LIGADO (V_th < V_GS). Isso porque, quando bias de gate aplicado é -30 V (estado DESLIGADO) e iluminado (Fig. 3b), grande barreira forma entre canal MoS₂ e eletrodos fonte/drain (Au). Assim, elétrons necessários para manter neutralidade do canal, destruída por lacunas aprisionadas, não são bem injetados no canal. No entanto, à medida que bias de gate aumenta até tensão de limiar, barreira torna-se menor e elétrons podem facilmente difundir no canal MoS₂. Portanto, fotocorrente aumenta exponencialmente antes da tensão de limiar. Por outro lado, se bias de gate torna-se maior que tensão de limiar, ou seja, quando dispositivo está LIGADO, barreira é suficientemente baixa e fotocorrente satura (Fig. 3c). Também notou-se que fotocorrente aumenta em ambos estados DESLIGADO e LIGADO à medida que bias de drain aumenta. Isso significa que, ao contrário das propriedades de fotoresposta de fototransistor convencional, medido apenas no estado DESLIGADO, há ganho de fotoresposta mesmo no estado LIGADO à medida que tensão de drain aumenta.

Para verificar efeito de bias de drain na fotoresponsividade do fototransistor MoS₂ nos estados DESLIGADO e LIGADO, características de fotoresposta medidas iluminando com luz e fixando bias de gate em -30 e 27 V correspondentes a estado DESLIGADO e LIGADO, respectivamente. Figura 4a mostra mudança em fotocorrente, e Fig. 4b mostra responsividade e detectividade específica conforme bias de drain no estado DESLIGADO. Detectividade específica extraída da equação [26, 33]: D* = R·A¹ᐟ²/(2·q·I_dark)¹ᐟ², onde R é responsividade, A área do canal MoS₂, q carga unitária, I_dark corrente escura. No estado DESLIGADO, fotocorrente e responsividade aumentam exponencialmente com bias de drain maior. Portanto, fotocorrente (responsividade), que era 4,28×10⁻¹⁴ A (0,12 A/W) quando bias de drain 3 V e intensidade de luz 10 mW/cm², aumentou fortemente para 1,57×10⁻⁸ A (4,53 A/W) quando bias de drain 27 V aplicado. Estes resultados mostram que fotocorrente e responsividade aumentam exponencialmente com aumento de bias de drain. Por outro lado, no estado LIGADO, fotocorrente (Fig. 4c) e responsividade (Fig. 4d) aumentam linearmente e saturam conforme bias de drain aumenta. Quando intensidade de luz constante 5 mW/cm² e bias de drain aumentado de 3 a 27 V, fotocorrente (responsividade) aumentou 5 vezes de 2,9×10⁻⁶ A (1677 A/W) para 1,5×10⁻⁵ A (8667 A/W). Além disso, detectividade mostrou mesma tendência que responsividade. No estado DESLIGADO (Fig. 4b), aumentou de 1,76×10⁸ Jones para 2,87×10⁸ Jones quando bias de drain aumentou de 3 a 27 V sob intensidade de luz 10 mW/cm². No estado LIGADO (Fig. 4d), aumentou de 6,14×10⁹ Jones para 8,63×10⁹ Jones quando bias de drain aumentou de 3 a 27 V sob intensidade de luz 5 mW/cm². Portanto, como corrente de difusão é dominante no estado DESLIGADO, responsividade aumenta exponencialmente conforme bias de drain aumenta. Por outro lado, corrente de deriva é dominante no estado LIGADO; portanto, responsividade aumenta linearmente conforme bias de drain aumenta.

Características dependentes de bias de drain observadas do fototransistor MoS₂ multicamada podem ser explicadas pelo diagrama esquemático de banda de energia mostrado na Fig. 5. Quando canal MoS₂ multicamada é iluminado, pares elétron-lacuna são fotogerados no canal. Lacunas fotogeradas são aprisionadas no canal MoS₂, quebrando neutralidade do canal. Então, canal positivamente carregado atrai mais elétrons da fonte para manter neutralidade, e quantos elétrons são supridos da fonte determina ganho de fotoresposta. Quando bias de gate aplicado está abaixo do limiar, há grande barreira entre canal MoS₂ e fonte como mostrado na Fig. 5a e corrente de drain é limitada por difusão sobre barreira. À medida que bias de drain aplicado aumenta (Fig. 5b), barreira é reduzida devido à curvatura do canal MoS₂, facilitando suprimento de elétrons para neutralidade do canal. Portanto, como mostrado na Fig. 4b, fotoresponsividade melhora exponencialmente para bias de drain. Quando bias de gate aplicado está acima do limiar, barreira entre MoS₂ e fonte é suficientemente baixa (Fig. 5c), corrente de drain é limitada por deriva de portadores no canal. Portanto, velocidade de deriva de portadores é fator principal na variação de fotoresponsividade. Neste regime, à medida que bias de drain aplicado aumenta (Fig. 5d), velocidade de portadores e fotoresponsividade aumentam linearmente e saturam em certo bias de drain (~10 V) como mostrado na Fig. 4d.

Conclusões

Fabricamos fototransistor baseado em MoS₂ multicamada e investigamos em detalhe sua fotoresponsividade controlada por bias (drain ou gate). Mudança na fotoresponsividade conforme bias pode ser classificada em dois casos: quando bias de gate menor que tensão de limiar (estado DESLIGADO) e quando bias de gate maior que tensão de limiar (estado LIGADO). Quando bias de gate menor que tensão de limiar, pequena quantidade de elétrons difundem no canal, devido a grande barreira entre MoS₂ e eletrodo fonte. À medida que biases de gate ou drain aumentam, altura da barreira diminui e número de elétrons injetados no canal para neutralidade aumenta. Como resultado, fotoresponsividade aumenta exponencialmente. Por outro lado, quando bias de gate maior que tensão de limiar, fotoresponsividade é afetada pela velocidade de portadores em vez de altura de barreira porque corrente é limitada por velocidade de deriva de portadores. À medida que bias de drain aumenta, velocidade de portadores aumenta linearmente e satura. Portanto, fotoresponsividade aumenta linearmente e satura. Fomos capazes de entender variações de responsividade em fototransistores baseados em MoS₂ multicamada conforme bias de gate ou drain. Assim, ganho pode ser controlado para aumentar faixa de aplicação do fototransistor MoS₂ e operar otimamente, dependendo do propósito e ambiente.