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Homojunção no plano WSe2 induzida pela interface para fotodetecção de alto desempenho

Resumo


Os dichalcogenetos de metais de transição 2D (TMDCs) têm sido amplamente atraentes para nanoeletrônica e nanooptoeletrônica devido às suas propriedades exclusivas. Especialmente, WSe 2 , tendo capacidade de transporte de portador bipolar e bandgap considerável, é um candidato promissor para fotodetectores futuros. Aqui, relatamos um WSe 2 no plano homojunção formada pela porta de interface do substrato. Nesta arquitetura, um floco h-BN isolado foi usado para fazer apenas parte do WSe 2 floco contate o substrato diretamente. Finalmente, as estruturas do WSe 2 / substrate e WSe 2 / h-BN / substrate constrói uma homojunção no plano. Curiosamente, o dispositivo pode operar nos modos fotovoltaico e fotocondutivo em diferentes vieses. Como resultado, uma responsividade de 1,07 A W −1 com uma detectividade superior de mais de 10 12 jones e um tempo de resposta rápido de 106 μs são obtidos simultaneamente. Comparado com métodos relatados anteriormente adotados por dopagem química ou passagem eletrostática com tensões de polarização extras, nosso projeto fornece uma maneira mais fácil e eficiente para o desenvolvimento de WSe 2 de alto desempenho com base em fotodetectores.

Introdução


Na última década, os dichalcogenetos de metais de transição 2D (TMDCs) têm chamado grande atenção devido às suas propriedades particulares. Alta mobilidade no plano, bandgap sintonizável, flexibilidade mecânica, forte interação luz-matéria e fácil processamento os tornam muito competitivos para futuros dispositivos nano-optoeletrônicos [1,2,3,4,5,6,7,8,9, 10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]. Especialmente, disseleneto de tungstênio (WSe 2 ), um semicondutor bipolar com fácil manipulação do tipo portador, permite aplicações extraordinariamente potenciais em fotodetectores baseados em junção [21,22,23,24,25,26,27,28]. Até agora, as principais estratégias de construção de junção somente no WSe 2 incluem dopagem química e portas eletrostáticas. Por exemplo, recentemente, um WSe 2 intramolecular junção p-n foi relatada [26]. A região n e a região p dentro do WSe 2 foram formados por dopagem química de polietilenoimina e controle de porta traseira, respectivamente. A junção p-n apresentou uma responsividade de 80 mA W −1 e tempo de resposta de 200 μs. Sun et al. dopado WSe 2 usando brometo de cetiltrimetil amônio para formar a 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. demonstrar um WSe lateral 2 Junção p-n obtida por gating eletrostático por meio da aplicação de polarizações de duas portas com polaridade oposta. A responsividade de 210 mA W −1 foi obtido [28]. No entanto, devido às inevitáveis ​​impurezas químicas e às configurações múltiplas de polarização necessárias, esses métodos tornam a fabricação e a aplicação de dispositivos baseados em junção complexos e difíceis. Montagem de vários materiais 2D para construir heteroestruturas verticais de van der Waals como WSe 2 / MoS 2 junção [29] tornou-se popular para o desenvolvimento de novos fotodetectores. Porém, nesta configuração, o processo de transporte da portadora entre diferentes materiais estratificados sofre com os 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 por pinagem de nível de Fermi, que é incontrolável e tem um grande impacto na responsividade dos dispositivos. Além disso, os trabalhos relatados não parecem possuir alta responsividade e velocidade de resposta rápida.

Aqui, demonstramos uma maneira fácil e mais eficiente de realizar um WSe 2 no plano homojunção. Na arquitetura, parte do WSe 2 canal está no Si / SiO 2 substrato e a outra parte está no floco h-BN. Este esquema é comum em memórias de porta flutuante / semiflutuante, nas quais o h-BN é adotado como camada dielétrica de porta [30, 31]. As cargas armazenadas em um lado da camada h-BN podem regular a condutividade do material no outro lado. Em nosso trabalho, no entanto, o floco h-BN como um isolador perfeito é usado para eliminar o efeito de gating da interface no WSe 2 canal. A polaridade do WSe 2 , que parte está apenas no Si / SiO 2 substrato, pode ser modulado por porta de interface. Como resultado, os dispositivos operam no modo fotovoltaico (PV) bem com polarização zero. Enquanto isso, ele exibe características fotocondutoras (PC) em alta polarização. Uma responsividade de 1,07 A W −1 com uma detectividade superior de mais de 10 12 jones e um tempo de resposta rápido de 106 μs são obtidos simultaneamente, sem o design intrincado do dispositivo e o risco de introdução de impurezas químicas adicionais.

Resultados e discussão


A Figura 1a mostra um esquema do WSe no plano 2 homojunção. Pode-se ver que parte do WSe 2 o floco é colocado no floco h-BN (WSe 2 -h) e a outra parte contata o Si / SiO 2 substrato diretamente (WSe 2 -S). A função de h-BN é isolar a porta de interface (IG) do Si / SiO 2 substrato no WSe 2 -h. Portanto, a formação de homojunção entre WSe 2 -h e WSe 2 -S depende principalmente do IG modulando a polaridade do WSe 2 -S. O IG é produzido pelas cargas presas no SiO 2 superfície. Isso será discutido abaixo em detalhes. A Figura 1b apresenta a imagem ótica 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 WSe 2 (h-BN) floco em contato direto com o Si / SiO 2 substrato (linhas brancas pontilhadas) foi medido como 65 (23) nm (ver Fig. 1d, e). Pode ser visto que há uma inclinação em vez de degrau acentuado no perfil de altura entre o WSe 2 (h-BN) e o Si / SiO 2 substrato. Isso pode ser devido ao fotorresiste residual na borda do material. A Figura 1f mostra os espectros Raman de WSe 2 e flocos h-BN. Para o WSe 2 , o primeiro pedido E 2g e A 1g Os modos Raman são claramente diferenciados ~ 250 cm −1 , sugerindo que o WSe 2 tem uma morfologia multicamadas [32, 33]. Para o h-BN, o pico Raman de E 2g modo em ~ 1370 cm −1 é observado. Devido ao grande intervalo de banda de h-BN, o sinal Raman é fraco em comparação com o WSe 2 [34].

Esquema de um WSe no plano 2 homojunção. a Estrutura do dispositivo. b Imagem ótica do dispositivo. Parte do WSe 2 contata o floco h-BN enquanto a outra parte contata Si / SiO 2 substrato. c Imagem AFM do dispositivo. As linhas pontilhadas brancas indicam as posições onde a espessura de h-BN (esquerda) e WSe 2 (à direita) são extraídos. Para o canal entre E1 e E2, a largura média (comprimento) é ~ 19,15 (~ 6,33) μm. Para o canal entre E2 e E3, a largura média (comprimento) é de ~ 23,15 (~ 5) μm. Para o canal entre E3 e E4, a largura média (comprimento) é ~ 22 (~ 5,38) μm. d , e Perfis de altura de WSe 2 e flocos h-BN. f Espectros Raman de WSe 2 e flocos h-BN com excitação de laser de 532 nm

Para explorar o efeito do substrato no WSe 2 , características de transferência de WSe 2 -S e WSe 2 -h foram estudados separadamente. Conforme mostrado na Fig. 2a, ambas as curvas de transferência exibem comportamento bipolar e uma histerese óbvia pode ser observada na curva de WSe 2 -S (preto) em comparação com o WSe 2 -h (vermelho). A corrente do WSe 2 -h é maior do que WSe 2 -S. A inclinação acentuada na curva de WSe 2 -h indica uma transcondutância relativamente grande, que é proporcional à mobilidade da portadora. Para WSe 2 -S, a histerese é atribuída à captura de carga no SiO 2 superfície [35,36,37,38]. Quando V g foi varrido de - 30 para 0 V, o negativo V g torna o WSe 2 preenchido com buracos e leva alguns buracos para o SiO 2 (ver Fig. 2b). Os buracos presos em SiO 2 gerar uma porta local positiva, ou seja, IG, para modular o WSe 2 condutância em retorno (efeito de depleção fraco). Portanto, o ponto de neutralidade de carga de V g aparece em torno de - 5 V. Da mesma forma, quando V g foi varrido de 30 para 0 V, o V positivo g torna o WSe 2 povoado com elétrons e também leva alguns elétrons para o SiO 2 (ver Fig. 2c). Os elétrons presos em SiO 2 gere um IG negativo para modular o WSe 2 condutância em retorno (o mesmo efeito de depleção fraco). Portanto, o ponto de neutralidade de carga de V g aparece em torno de 5 V. Para WSe 2 -h, o floco h-BN inibe a transferência de portador entre WSe 2 e SiO 2 sob V g modulação. Esta é a razão para a histerese não óbvia no WSe 2 curva -h. Portanto, uma homojunção no plano pode ser formada simplesmente aproveitando o IG.

Características de transferência. a eu d - V g curvas de WSe 2 -S (linha preta) e WSe 2 -h (linha vermelha). A direção da varredura de V g é indicado pelas setas. b , c Explicação física para o fenômeno de histerese. As setas indicam a direção do campo elétrico induzido por V g . As esferas vermelha e azul representam buracos e elétrons, respectivamente

A Figura 3a mostra o I d - V d curvas do dispositivo em condições de escuridão e luz em V g =0 V. A tensão fonte-dreno é aplicada nos eletrodos E2 e E3 (veja a inserção). Pode ser visto que as correntes de curto-circuito (em V d =0 V) ​​aumenta com a potência incidente, indicando um efeito PV. Curiosamente, as curvas também apresentam características do PC em V d =± 1 V. Para o primeiro, as fotocorrentes são atribuídas à homojunção. Conforme mostrado na Fig. 3b, embora V d e V g foram fixados em 0 V, alguns orifícios já presos em SiO 2 formar um pequeno IG positivo para modular o WSe 2 -S. Então, o n - -tipo WSe 2 -S e WSe intrínseco 2 -h (sem o efeito de IG devido ao isolamento por floco h-BN) constituem uma homojunção no plano. Sob iluminação, os pares elétron-buraco fotoexcitados serão separados pelo campo interno da homojunção. Embora eu d - V d curvas apresentam características de PV bem em polarização zero, a homojunção não mostrou um comportamento retificador talvez devido ao campo embutido relativamente fraco em comparação com o V aplicado externamente d . Para o último, todo o WSe 2 o floco como fotocondutor responde ao sinal de luz em alta polarização. Os portadores fotoexcitados serão conduzidos aos eletrodos por V d . Portanto, a fotorresposta na Fig. 3a é o resultado do efeito sinérgico dos modos PV e PC. As responsividades em função da potência da luz para diferentes V d estão resumidos na Fig. 3c, dados por R = eu ph / PA , onde eu 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, o WSe 2 parte entre E2 e E3, é 115,75 μm 2 . As responsabilidades de 1.07 A W −1 e 2.96 A W −1 são obtidos para V d de 0 V e 1 V, respectivamente. A detectividade específica ( D * ) como um parâmetro importante determina a capacidade de um fotodetector de responder a um sinal de luz fraco. Supondo que o ruído de disparo da corrente escura seja a principal contribuição, D * pode ser definido como D ∗ = RA 1/2 / (2 eI escuro ) 1/2 , onde R é a responsividade, A é a área fotossensível efetiva, e é a carga do elétron, e I escuro é a corrente escura [41, 42]. Beneficiando-se do nível extremamente baixo I escuro , D * de 3,3 × 10 12 jones (1 jones =1 cm Hz 1/2 W −1 ) e 1,78 × 10 11 jones são alcançados para V d de 0 V e 1 V, respectivamente. Além disso, o tempo de resposta como uma figura-chave de mérito foi estudado. Conforme mostrado na Fig. 3d, um estado de corrente alta e baixa adquirido em V d =0 V foram obtidos com a modulação de luz. A fotorresposta transitória exibe características altamente estáveis ​​e reproduzíveis. A Figura 3e fornece um único ciclo de modulação de resposta temporal. O tempo de subida ( t r ), definido como o tempo necessário para que a corrente aumente de 10% I pico para 90% I pico , foi encontrado em ~ 106 μs, e o tempo de queda ( t f ), definido analogamente, foi encontrado para ser ~ 91 μs. A Figura S1 mostra a resposta temporal do dispositivo adquirido em V d =1 V. t r e t f foram encontrados em ~ 105 μs e ~ 101 μs, respectivamente. A Tabela 1 resume o WSe relatado 2 homojunção formada por diferentes métodos. Obviamente, o dispositivo em nosso trabalho tem alto D * , comparável R e velocidade de resposta relativamente rápida. Além disso, a Figura S2 apresenta as características de fotorresposta dos outros três dispositivos. Correntes distintas de PV e PC podem ser observadas em polarização zero e alta, respectivamente. A detectividade de todos os WSe 2 homojunções é maior que 10 12 jones, e o tempo de resposta é de pouco mais de 100 µs, provando que nossos dispositivos podem repetir a fotodetecção de alto desempenho muito bem.

Desempenho de fotorresposta da homojunção adquirida entre E2 e E3. a Corrente de drenagem como uma função da tensão fonte-dreno aplicada nos eletrodos E2 e E3 (veja a inserção) com intensidade de energia de luz variável (637 nm). b Mecanismo de formação da homojunção em V g =0 V e V d =0 V. c Responsividade em função do poder da luz. d , e Resposta temporal do dispositivo adquirido em V d =0 V para iluminação de 637 nm. Um osciloscópio foi usado para monitorar a dependência do tempo da corrente

As Figuras 4a eb apresentam o I d - V d características do WSe 2 -h e WSe 2 -S separadamente. As curvas de ambos WSe 2 -h e WSe 2 -S exibe propriedade de PC e não há fotocorrente em polarização zero. Na verdade, Ti / WSe 2 Deve-se supor que / Ti forma uma estrutura de metal / semicondutor / metal que contém duas junções Schottky com campo integrado oposto. Então, o eu d - V d as curvas devem cruzar o ponto zero e exibir o comportamento do PC. No nosso caso, devido às diferentes funções de trabalho do WSe 2 -h e WSe 2 -S, existem dois contatos Schottky assimétricos, ou seja, E2 / WSe 2 -S e E3 / WSe 2 -h, conforme mostrado na Fig. 4c. Na polarização zero, a direção das fotocorrentes líquidas originadas das junções Schottky é oposta à da homojunção, e o resultado do experimento mostrado na Fig. 3a é consistente com a última. Portanto, a homojunção formada entre WSe 2 -h e WSe 2 -S é a razão das fotocorrentes de curto-circuito.

Efeito da junção de Schottky na fotorresposta. a eu d - V d curvas de WSe 2 -h com tensão fonte-dreno aplicada nos eletrodos E3 e E4 (veja a inserção) sob iluminação de luz (637 nm). b eu d - V d curvas de WSe 2 -S com tensão fonte-dreno aplicada nos eletrodos E1 e E2 (veja a inserção) sob iluminação de luz (637 nm). c Diagrama esquemático da banda do dispositivo homojuncional com contatos Schottky assimétricos, ou seja, E2 / WSe 2 -S e E3 / WSe 2 -h, em polarização zero

Para demonstrar ainda que a fotorresposta na polarização zero é atribuída à homojunção, as propriedades de saída foram investigadas através da medição do I d - V d curvas do dispositivo com a tensão fonte-dreno aplicada nos eletrodos E1 e E4. Conforme mostrado na Figura S3a, as curvas, assim como a situação na Figura 3a, também exibem as características PV e PC. Como discutido acima, para o primeiro, as fotocorrentes são atribuídas ao campo embutido de homojunção no plano formado entre WSe 2 -S e WSe 2 -h. Para este último, as fotocorrentes são atribuídas à coleção de portadores fotoexcitados pelo V externamente aplicado d . As responsividades em função da potência da luz para diferentes V d estão resumidos na Figura S3b. As responsividades (detectividades) de 0,51 A W −1 (2,21 × 10 12 jones) e 3,55 A W −1 (5,54 × 10 12 jones) são obtidos para V d de 0 V e 1 V, respectivamente. Durante o cálculo, a área fotossensível efetiva, ou seja, o WSe 2 parte entre E1 e E4, é 519,4 μm 2 . O tempo de resposta medido na polarização zero é mostrado nas Figuras S3c e 3d, em que o tempo de subida é 289 μs e o tempo de queda é de 281 μs. Para o V d de 1 V (Figura S3e e 3f), o tempo de subida e descida são 278 μs e 250 μs, respectivamente. A velocidade de resposta é um pouco mais lenta do que a medida entre os eletrodos E2 e E3, pois o canal condutor relativamente longo aumenta a distância de transmissão do fototransmissor e a probabilidade de interação entre os fototransportadores e os defeitos.

Conclusão


Em resumo, demonstramos um WSe 2 no plano homojunção ajustando eletricamente WSe parcial 2 floco através do portão de interface. Comparado com as abordagens existentes, como dopagem química e gating eletrostático, tirando vantagem de dois enviesamentos de porta, este projeto oferece uma rota mais fácil para realizar WSe 2 homojunção. Com iluminação de luz, o dispositivo produz fotocorrentes de curto-circuito distintas com uma detectividade de 3,3 × 10 12 Jones. Em alta polarização, o dispositivo apresenta característica fotocondutiva e gera fotocorrentes com detectividade de 1,78 × 10 11 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 WSe 2 de alto desempenho com base em fotodetectores.

Métodos


Ambos WSe 2 e materiais a granel h-BN foram adquiridos de Shanghai Onway Technology Co., Ltd. Primeiro, o h-BN e WSe 2 flocos foram mecanicamente esfoliados em um p + -Si / SiO 2 (300 nm) substrato e uma camada de poli-dimetilsiloxano (PDMS), respectivamente. Então, um micromanipulador foi usado para colocar o WSe 2 floco, que está aderido ao PDMS, no floco h-BN alvo através do microscópio para localizar a posição. Parte do WSe 2 o floco se sobrepõe ao floco h-BN. Finalmente, o WSe 2 o floco foi liberado do PDMS por meio do aquecimento do substrato. Os eletrodos (Ti / Au) foram preparados por litografia de feixe de elétrons, metalização e processo de lift-off. As medições de fotorresposta foram realizadas usando o analisador de parâmetros semicondutores Agilent B1500 e diodo laser com comprimento de onda de 637 nm.

Disponibilidade de dados e materiais


Os dados que suportam as conclusões deste trabalho estão disponíveis com o autor correspondente, mediante solicitação razoável.

Abreviações

TMDCs:

Dichalcogenetos de metais de transição
PV:

Fotovoltaico
PC:

Fotocondutor
AFM:

Microscópio de força atômica
IG:

Portão de interface
PDMS:

Poli-dimetil siloxano

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