Junção Homogênea In-Plano de WSe2 via Gateamento de Interface: Um Fotodetector de Alto Desempenho

Resumo

Os dicalcogenetos de metais de transição bidimensionais (TMDCs) têm sido amplamente estudados para nanoeletrônica e nano-optoeletrônica devido às suas propriedades únicas. Em particular, o WSe₂, com capacidade de transporte bipolar de portadores e bandgap considerável, é um candidato promissor para fotodetectores futuros. Neste trabalho, relatamos uma junção homogênea in-plano de WSe₂ formada pelo gate de interface do substrato. Nesta arquitetura, um floco isolante de h-BN foi utilizado para fazer com que apenas parte do floco de WSe₂ contatasse o substrato diretamente. Finalmente, as estruturas WSe₂/substrato e WSe₂/h-BN/substrato constroem uma junção homogênea in-plano. Curiosamente, o dispositivo pode operar tanto no modo fotovoltaico quanto no fotocondutivo em diferentes polarizações. Como resultado, obtêm-se simultaneamente uma responsividade de 1,07 A W⁻¹ com uma detectividade superior a 10¹² jones e um tempo de resposta rápido de 106 μs. Comparado com métodos previamente relatados que adotam dopagem química ou gateamento eletrostático com tensões de polarização extras, nosso design fornece uma maneira mais simples e eficiente para o desenvolvimento de fotodetectores baseados em WSe₂ de alto desempenho.

Introdução

Na última década, os dicalcogenetos de metais de transição bidimensionais (TMDCs) atraíram grande atenção devido às suas propriedades particulares. Alta mobilidade in-plano, bandgap ajustável, flexibilidade mecânica, forte interação luz-matéria e fácil processamento tornam-nos muito competitivos para futuros dispositivos nano-optoeletrônicos [1-20]. Especialmente, o dissulfeto de tungstênio (WSe₂), um semicondutor bipolar com manipulação facilitada do tipo de portador, permite aplicações notavelmente potenciais em fotodetectores baseados em junções [21-28]. Até agora, as principais estratégias para construir junções exclusivamente em WSe₂ incluem dopagem química e gateamento eletrostático. Por exemplo, recentemente, relatou-se uma junção p-n intramolecular de WSe₂ [26]. A região n e a região p dentro do WSe₂ foram formadas por dopagem química com polietilenimina e controle de gate traseiro, respectivamente. A junção p-n apresentou responsividade de 80 mA W⁻¹ e tempo de resposta de 200 μs. Sun et al. doparam WSe₂ usando brometo de cetiltrimetilamônio para formar junção p-n intramolecular, na qual a responsividade e o tempo de resposta são 30 A W⁻¹ e ~7 ms, respectivamente [27]. Baugher et al. demonstraram uma junção p-n lateral de WSe₂ alcançada por gateamento eletrostático através da aplicação de duas polarizações de gate com polaridade oposta. Obteve-se responsividade de 210 mA W⁻¹ [28]. No entanto, devido às impurezas químicas inevitáveis e às configurações de múltiplas polarizações necessárias, esses métodos tornam a fabricação e aplicação de dispositivos baseados em junções complexas e difíceis. A montagem de vários materiais 2D para construir heteroestruturas verticais de van der Waals, como junção WSe₂/MoS₂ [29], tornou-se popular para o desenvolvimento de novos fotodetectores. Mas, nesta configuração, o processo de transporte de portadores entre diferentes materiais em camadas sofre com defeitos de interface, o que restringe a velocidade de resposta do dispositivo. Para a junção Schottky formada entre metais e materiais 2D, a altura da barreira Schottky é geralmente determinada pelo pinning do nível de Fermi, que é incontrolável e tem grande impacto na responsividade dos dispositivos. Além disso, os trabalhos relatados não parecem possuir simultaneamente alta responsividade e velocidade de resposta rápida.

Aqui, demonstramos uma maneira simples e mais eficiente de realizar uma junção homogênea in-plano de WSe₂. Na arquitetura, parte do canal de WSe₂ está no substrato Si/SiO₂ e a outra parte está no floco de h-BN. Este esquema é comum em memórias de gate flutuante/semi-flutuante, nas quais o h-BN é adotado como camada dielétrica de gate [30, 31]. As cargas armazenadas em um lado da camada de h-BN podem regular a condutividade do material no outro lado. Em nosso trabalho, no entanto, o floco de h-BN como um isolante perfeito é usado para eliminar o efeito de gateamento de interface no canal de WSe₂. A polaridade do WSe₂, cuja parte está apenas no substrato Si/SiO₂, pode ser modulada pelo gate de interface. Como resultado, os dispositivos operam bem no modo fotovoltaico (PV) em polarização zero. Enquanto isso, exibe características fotocondutivas (PC) em alta polarização. Uma responsividade de 1,07 A W⁻¹ com uma detectividade superior a 10¹² jones e um tempo de resposta rápido de 106 μs são obtidos simultaneamente sem o design intrincado do dispositivo e o risco de introduzir impurezas químicas adicionais.

Resultados e Discussão

A Figura 1a mostra um esquema da junção homogênea in-plano de WSe₂. Pode-se ver que parte do floco de WSe₂ é colocada sobre o floco de h-BN (WSe₂-h) e a outra parte contata o substrato Si/SiO₂ diretamente (WSe₂-S). A função do h-BN é isolar o gate de interface (IG) do substrato Si/SiO₂ no WSe₂-h. Assim, a formação da junção homogênea entre WSe₂-h e WSe₂-S depende principalmente do IG modulando a polaridade do WSe₂-S. O IG é produzido pelas cargas aprisionadas na superfície do SiO₂. Isso será discutido em detalhes abaixo. A Figura 1b apresenta a imagem óptica do dispositivo. Quatro eletrodos (E1-E4, Ti/Au) foram preparados por litografia de feixe de elétrons, metalização e processo de lift-off. A espessura dos materiais é caracterizada por microscópio de força atômica (AFM) (ver Fig. 1c). A altura do WSe₂ (h-BN) em contato direto com o substrato Si/SiO₂ (linhas pontilhadas brancas) foi medida como 65 (23) nm (ver Fig. 1d, e). Observa-se que há uma inclinação em vez de um degrau abrupto no perfil de altura entre o WSe₂ (h-BN) e o substrato Si/SiO₂. Isso pode ser devido ao fotorresist residual na borda do material. A Figura 1f mostra os espectros de Raman dos flocos de WSe₂ e h-BN. Para o WSe₂, os modos de Raman de primeira ordem E_2g e A_1g são claramente distinguidos ~ 250 cm⁻¹, sugerindo que o WSe₂ tem morfologia multicamada [32, 33]. Para o h-BN, o pico de Raman do modo E_2g em ~ 1370 cm⁻¹ é observado. Devido ao grande bandgap do h-BN, o sinal de Raman é fraco comparado ao do WSe₂ [34].

Para explorar o efeito do substrato no WSe₂, as características de transferência do WSe₂-S e WSe₂-h foram estudadas separadamente. Como mostrado na Fig. 2a, ambas as curvas de transferência exibem comportamento bipolar e uma histerese óbvia pode ser observada na curva do WSe₂-S (preta) comparada com a do WSe₂-h (vermelha). A corrente do WSe₂-h é maior que a do WSe₂-S. A inclinação acentuada na curva do WSe₂-h indica uma transcondutância relativamente grande, que é proporcional à mobilidade dos portadores. Para o WSe₂-S, a histerese é atribuída ao aprisionamento de cargas na superfície do SiO₂ [35-38]. Quando V_g foi varrido de −30 a 0 V, o V_g negativo faz o WSe₂ ser populado com lacunas e impulsiona algumas lacunas para o SiO₂ (ver Fig. 2b). As lacunas aprisionadas no SiO₂ geram um gate de interface positivo, ou seja, IG, para modular a condutância do WSe₂ em retorno (fraco efeito de depleção). Portanto, o ponto de neutralidade de carga de V_g aparece em torno de −5 V. Similarmente, quando V_g foi varrido de 30 a 0 V, o V_g positivo faz o WSe₂ ser populado com elétrons e também impulsiona alguns elétrons para o SiO₂ (ver Fig. 2c). Os elétrons aprisionados no SiO₂ geram um IG negativo para modular a condutância do WSe₂ em retorno (o mesmo fraco efeito de depleção). Assim, o ponto de neutralidade de carga de V_g aparece em torno de 5 V. Para o WSe₂-h, o floco de h-BN inibe a transferência de portadores entre WSe₂ e SiO₂ sob modulação de V_g. Esta é a razão para a histerese não óbvia na curva do WSe₂-h. Portanto, uma junção homogênea in-plano pode ser formada simplesmente aproveitando o IG.

A Figura 3a mostra as curvas I_d-V_d do dispositivo sob condições de escuro e luz em V_g = 0 V. A tensão source-drain é aplicada nos eletrodos E2 e E3 (ver inseto). Pode-se ver que as correntes de curto-circuito (em V_d = 0 V) aumentam com a potência incidente, indicando um efeito PV. Curiosamente, as curvas também apresentam características PC em V_d = ± 1 V. Para o primeiro, as fotocorrentes são atribuídas à junção homogênea. Como mostrado na Fig. 3b, embora V_d e V_g fossem definidos em 0 V, algumas lacunas já aprisionadas no SiO₂ formam um pequeno IG positivo para modular o WSe₂-S. Assim, o WSe₂-S do tipo n⁻ e o WSe₂-h intrínseco (sem o efeito do IG devido ao isolamento pelo floco de h-BN) constituem uma junção homogênea in-plano. Sob iluminação, os pares elétron-lacuna fotoexcitados serão separados pelo campo interno da junção homogênea. Embora as curvas I_d-V_d apresentem característica PV bem em polarização zero, a junção homogênea não mostrou comportamento retificador talvez devido ao campo interno relativamente fraco comparado com o V_d aplicado externamente. Para o último, todo o floco de WSe₂ como um fotocondutor responde ao sinal de luz em alta polarização. Os portadores fotoexcitados serão impulsionados aos eletrodos por V_d. Portanto, a fotoresposta na Fig. 3a é o resultado do efeito sinérgico dos modos PV e PC. As responsividades em função da potência de luz para diferentes V_d são resumidas na Fig. 3c, dadas por R = I_ph/PA, onde I_ph é a fotocorrente, P é a intensidade de potência, e A é a área fotossensível efetiva do detector [39, 40]. Durante o cálculo, a área fotossensível efetiva, ou seja, a parte de WSe₂ entre E2 e E3, é 115,75 μm². Obtêm-se responsividades de 1,07 A W⁻¹ e 2,96 A W⁻¹ para V_d de 0 V e 1 V, respectivamente. A detectividade específica (D^*) como parâmetro importante determina a capacidade de um fotodetector de responder a um sinal de luz fraco. Assumindo que o ruído de shot da corrente de escuro é a contribuição principal, D^* pode ser definido como D^* = RA^1/2/(2eI_dark)^1/2, onde R é a responsividade, A é a área fotossensível efetiva, e é a carga do elétron, e I_dark é a corrente de escuro [41, 42]. Beneficiando-se da extremamente baixa I_dark, D^* de 3,3 × 10¹² jones (1 jones = 1 cm Hz^1/2 W⁻¹) e 1,78 × 10¹¹ jones são alcançados para V_d de 0 V e 1 V, respectivamente. Além disso, o tempo de resposta como figura de mérito chave foi estudado. Como mostrado na Fig. 3d, um estado de corrente alta e um estado de corrente baixa adquiridos em V_d = 0 V foram obtidos com a modulação de luz. A fotoresposta transitória exibe características altamente estáveis e reproduzíveis. A Figura 3e dá um único ciclo de modulação da resposta temporal. O tempo de subida (t_r), definido como o tempo necessário para a corrente aumentar de 10% I_peak a 90% I_peak, foi encontrado como ~ 106 μs, e o tempo de queda (t_f), definido analogamente, foi encontrado como ~91 μs. A Figura S1 mostra a resposta temporal do dispositivo adquirida em V_d = 1 V. t_r e t_f foram encontrados como ~105 μs e ~ 101 μs, respectivamente. A Tabela 1 resume as junções homogêneas de WSe₂ relatadas formadas por diferentes métodos. Obviamente, o dispositivo em nosso trabalho tem alto D^*, R comparável e velocidade de resposta relativamente rápida. Além disso, a Figura S2 apresenta as características de fotoresposta dos outros três dispositivos. Correntes PV e PC distintas podem ser observadas em polarização zero e alta, respectivamente. A detectividade de todas as junções homogêneas de WSe₂ é superior a 10¹² jones, e o tempo de resposta é um pouco mais de 100 μs, provando que nossos dispositivos podem repetir a fotodetecção de alto desempenho muito bem.

A Figura 4a e b apresentam as características I_d-V_d do WSe₂-h e WSe₂-S separadamente. As curvas de ambos WSe₂-h e WSe₂-S exibem propriedade PC, e não há fotocorrente em polarização zero. Na verdade, Ti/WSe₂/Ti deveria formar uma estrutura metal/semicondutor/metal que contém duas junções Schottky com campo interno oposto. Portanto, as curvas I_d-V_d deveriam cruzar o ponto zero e exibir comportamento PC. Em nosso caso, devido às diferentes funções de trabalho do WSe₂-h e WSe₂-S, existem dois contatos Schottky assimétricos, ou seja, E2/WSe₂-S e E3/WSe₂-h, como mostrado na Fig. 4c. Em polarização zero, a direção das fotocorrentes líquidas originadas das junções Schottky é oposta à da junção homogênea, e o resultado experimental mostrado na Fig. 3a é consistente com o último. Portanto, a junção homogênea formada entre WSe₂-h e WSe₂-S é a razão para as fotocorrentes de curto-circuito.

Para demonstrar ainda mais que a fotoresposta em polarização zero é atribuída à junção homogênea, as propriedades de saída foram investigadas medindo as curvas I_d-V_d do dispositivo com a tensão source-drain aplicada nos eletrodos E1 e E4. Como mostrado na Figura S3a, as curvas, iguais à situação na Fig. 3a, também exibem características PV e PC. Como discutido acima, para o primeiro, as fotocorrentes são atribuídas ao campo interno da junção homogênea in-plano formada entre WSe₂-S e WSe₂-h. Para o último, as fotocorrentes são atribuídas à coleta de portadores fotoexcitados pelo V_d aplicado externamente. As responsividades em função da potência de luz para diferentes V_d são resumidas na Figura S3b. As responsividades (detectividades) de 0,51 A W⁻¹ (2,21 × 10¹² jones) e 3,55 A W⁻¹ (5,54 × 10¹² jones) são obtidas para V_d de 0 V e 1 V, respectivamente. Durante o cálculo, a área fotossensível efetiva, ou seja, a parte de WSe₂ entre E1 e E4, é 519,4 μm². O tempo de resposta medido em polarização zero é mostrado na Figura S3c e 3d, no qual o tempo de subida é 289 μs e o tempo de queda é 281 μs. Para o V_d de 1 V (Figura S3e e 3f), os tempos de subida e queda são 278 μs e 250 μs, respectivamente. A velocidade de resposta é um pouco mais lenta que a medida entre os eletrodos E2 e E3, porque o canal condutivo relativamente longo aumenta a distância de transmissão dos fotoportadores e a probabilidade de interação entre fotoportadores e defeitos.

Conclusão

Em resumo, demonstramos uma junção homogênea in-plano de WSe₂ por ajuste elétrico de parte do floco de WSe₂ através de gate de interface. Comparado com abordagens existentes como dopagem química e gateamento eletrostático aproveitando duas polarizações de gate, este design fornece uma rota mais simples para realizar a junção homogênea de WSe₂. Com iluminação de luz, o dispositivo produz fotocorrentes de curto-circuito distintas com detectividade de 3,3 × 10¹² jones. Em alta polarização, o dispositivo apresenta característica fotocondutiva e gera fotocorrentes com detectividade de 1,78 × 10¹¹ jones. Um tempo de resposta tão rápido quanto 106 μs também é obtido simultaneamente. Nosso estudo fornece uma maneira eficiente e confiável para o desenvolvimento de fotodetectores baseados em WSe₂ de alto desempenho.

Métodos

Tanto o WSe₂ quanto materiais em bloco de h-BN foram comprados da Shanghai Onway Technology Co., Ltd. Primeiro, os flocos de h-BN e WSe₂ foram esfoliados mecanicamente sobre um substrato p⁺-Si/SiO₂ (300 nm) e uma camada de poli-dimetil siloxano (PDMS), respectivamente. Então, um micromanipulador foi usado para colocar o floco de WSe₂, que está aderido ao PDMS, sobre o floco alvo de h-BN através do microscópio para localizar a posição. Parte do floco de WSe₂ sobrepõe o floco de h-BN. Finalmente, o floco de WSe₂ foi liberado do PDMS através do aquecimento do substrato. Os eletrodos (Ti/Au) foram preparados por litografia de feixe de elétrons, metalização e processo de lift-off. Medidas de fotoresposta foram conduzidas usando analisador de parâmetros semicondutores Agilent B1500 e diodo a laser com comprimento de onda de 637 nm.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Os dados que suportam os achados deste trabalho estão disponíveis do autor correspondente mediante solicitação razoável.

Abreviações

TMDCs:

Dicalcogenetos de metais de transição

PV:

Fotovoltaico

PC:

Fotocondutivo

AFM:

Microscópio de força atômica

IG:

Gate de interface

PDMS:

Poli-dimetil siloxano