Fotodetectores de Alto Desempenho Usando Heterojunções Laterais de Monocamada MoS₂/WS₂

Resumo

Dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) de monocamada mostram potencial promissor para optoeletrônica de próxima geração devido a excelentes capacidades de captura de luz e fotodetecção. Fotodetectores, como componentes importantes de sistemas de detecção, imagem e comunicação, são capazes de perceber e converter sinais ópticos em sinais elétricos. Aqui, heterojunções laterais de monocamada MoS₂/WS₂ de grande área e alta qualidade foram sintetizadas via abordagem de deposição química em fase vapor (CVD) em fase líquida em uma etapa. Medidas de caracterização sistemáticas verificaram boa uniformidade e interfaces nítidas dos materiais de canal. Como resultado, os fotodetectores aprimorados pelo efeito de fotogating podem entregar desempenho competitivo, incluindo responsividade de ~ 567,6 A/W e detectividade de ~ 7,17 × 10¹¹ Jones. Além disso, o ruído 1/f obtido do espectro de potência de corrente não é condutivo ao desenvolvimento de fotodetectores, que é considerado como originário de aprisionamento/dessorção de portadores de carga. Portanto, este trabalho pode contribuir para dispositivos optoeletrônicos eficientes baseados em heteroestruturas laterais de TMDs de monocamada.

Introdução

Considerando o mercado de chips semicondutores de quase meio trilhão de dólares, materiais bidimensionais (2D) são atualmente um dos candidatos mais viáveis e promissores para estender a lei de Moore. Como membro representativo da família 2D, dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) têm sido intensivamente estudados devido às suas propriedades optoeletrônicas distintas e aplicações potenciais em fotodetecção e dispositivos emissores de luz. Notavelmente, a banda proibida ajustável, alta mobilidade de portadores, alta absorção óptica e espessura atômica fina, tornando TMDs materiais de canal apropriados para fotodetectores, desempenham papel crucial em dispositivos optoeletrônicos ou eletrônicos. Embora defeitos cristalinos em TMDs dando origem ao efeito de aprisionamento de portadores possam resultar em alta fotossensibilidade, eles podem inevitavelmente levar a velocidade de resposta lenta. Além disso, alguns pesquisadores propõem realce plasmônico para aumentar a utilização limitada de luz de materiais 2D. Combinando respectivas superioridades e mostrando transporte eletrônico único na junção, heteroestruturas TMDs ou costura lateral ou empilhamento vertical são apresentadas. Tais heteroestruturas podem adaptar propriedades eletrônicas intrínsecas e melhorar a absorção óptica, mostrando características emergentes e projetáveis. Por exemplo, o campo elétrico embutido ou diferença de nível de energia induzida por heteroestruturas TMDs deve acelerar separação de fotoportadores, suprimir recombinação de fotoportadores e reduzir corrente escura também, o que é benéfico para alcançar fotodetecção de alto desempenho. Além disso, o grupo de Wang certificou recombinação suprimida de elétron-buraco (e-h) em heteroestruturas laterais. Conforme relatado anteriormente, heteroestruturas laterais mostraram maior mobilidade de portadores enquanto heteroestruturas verticais geralmente aumentaram a área fotoativa e/ou aumentaram a densidade de corrente de drive. Além disso, as interfaces no plano de heteroestruturas laterais mostraram intensidade de emissão mais forte que ambos os lados. No entanto, emissão de fotoluminescência (PL) suprimida poderia ser observada na heterointerface vertical devido à recombinação radiativa direta reduzida. Adicionalmente, tanto heteroestruturas laterais quanto verticais de TMDs tornam possível criar novas transições exicitônicas.

Em termos de qualidade de rede cristalina, heterojunções laterais MoX₂/WX₂ (X = S, Se ou Te) poderiam induzir defeitos estruturais escassamente devido à sua configuração tipo favo de mel similar e parâmetros de rede. Além disso, este tipo de heterojunção pode formar alinhamento de banda tipo-II geralmente, que é desejável para fotodetecção de alta eficiência. De acordo com trabalho anterior, heterojunção lateral de monocamada MoS₂/WS₂ preferiu exibir alinhamento de banda tipo-II com máximo da banda de valência (VBM) localizado em WS₂ e mínimo da banda de condução (CBM) em MoS₂. Por exemplo, grupo de Wu relatou que VBM e CBM de MoS₂ são 0,39 eV e 0,35 eV menores que os de WS₂, respectivamente. Além disso, o deslocamento de banda entre MoS₂ e WS₂ determinando o alinhamento de banda poderia ser estimado via suas diferentes posições de orbitais d de Mo e W. Heteroestruturas verticais podem ser preparadas por transferência mecânica e empilhamento, enquanto laterais só podem ser alcançadas por métodos de crescimento. Além disso, heteroestruturas verticais, conforme relatado anteriormente, não podem ser controle preciso e é facilmente contaminada nas interfaces entre camadas. Felizmente, heteroestruturas laterais podem ser sintetizadas por método em uma etapa para reduzir contaminações. Atualmente, o crescimento de heteroestruturas laterais de TMDs de monocamada de grande área e alta qualidade permaneceu um grande desafio. Portanto, heterojunções laterais de TMDs de monocamada de alta qualidade e grande área são significativas e desejadas para desenvolvimento de fotodetectores de alto desempenho.

Aqui, heterojunções laterais de monocamada MoS₂/WS₂ com interfaces nítidas e boa uniformidade via método CVD em fase líquida em uma etapa são preparadas e fotodetectores são fabricados baseados nestas heteroestruturas. Os fotodetectores apresentados podem entregar alta responsividade e detectividade de 567,6 A/W e 7,17 × 10¹¹ Jones, respectivamente. Este trabalho demonstra que heterojunções laterais de monocamada MoS₂/WS₂ podem servir como candidatos qualificados para aplicações optoeletrônicas de próxima geração.

Métodos

Síntese de Heteroestrutura

0,05 g tungstato de sódio, 0,5 g molibdato de amônio e 0,12 g partículas de NaOH (ou KOH) foram dissolvidos em 10 mL de água deionizada (DI) para obter solução precursora. Os substratos de crescimento (safira) foram tratados por solução piranha para melhorar a hidrofobicidade da superfície, e então a solução precursora foi uniformemente depositada por spin-coating em substratos de safira limpos. Após isso, o substrato de safira coberto com precursor e enxofre foram colocados no centro de aquecimento e a montante de um tubo de quartzo, respectivamente. O centro de aquecimento foi rampado para 700 °C em 40 min e mantido por 10 min para crescer bi-camadas MoS₂-OH (ou seja, monocamada MoS₂ e uma única camada de íons OH⁻ anexados). Finalmente, o gás de arraste foi mudado de Ar para Ar/H₂ (5% H₂), e o centro de aquecimento aquecido a 780 °C dentro de 10 min e mantido por 10 min para permitir WS₂ crescer ao longo das bordas das bi-camadas MoS₂-OH, formando heteroestruturas laterais MoS₂/WS₂. Mais detalhes da síntese da heteroestrutura referem-se a trabalho anterior.

Processo de Transferência

Usamos método assistido por poliestireno (PS) para transferir heteroestruturas laterais WS₂/MoS₂ de safira para substratos SiO₂/Si. A solução PS (9 g de PS dissolvido em 100 mL de tolueno) é primeiro depositada por spin-coating nas heteroestruturas com 3500 rpm por 60 s, então a amostra é assada a 90 °C por 10 min para eliminar tolueno. Após isso, o filme WS₂/MoS₂-PS é obtido por gota de água, e o filme WS₂/MoS₂-PS flutuante é então recolhido com um substrato SiO₂/Si limpo. A amostra WS₂/MoS₂-PS-SiO₂/Si é assada a 80 °C por 1 h e então a 150 °C por 30 min para espalhar o polímero para eliminar possíveis rugas. Finalmente, o filme PS é removido por enxágue com tolueno várias vezes para obter amostras WS₂/MoS₂-SiO₂/Si.

Fabricação de Dispositivo

Litografia de feixe de elétrons (EBL) padrão foi usada para definir marcadores e padrões de eletrodos nas heterojunções laterais de monocamada MoS₂/WS₂ como crescidas. Eletrodos Ti/Au (10 nm/100 nm) foram evaporados no canal e lift-off em acetona. O dispositivo foi recozido termicamente a 400 °C por 2 h em vácuo e resfriado rapidamente à temperatura ambiente.

Caracterização de Material

Imagens ópticas foram capturadas com microscópio OLYMPUS (LV100ND). Imagens de mapeamento Raman, PL e AFM foram medidas com espectrômetro confocal Raman-AFM (Witec, alpha300 RA) com laser de 532 nm.

Caracterização de Dispositivo

As propriedades optoeletrônicas dos fotodetectores foram medidas com estação de sonda SemiProbe e analisador de parâmetros semicondutores (Keithley 4200) e Automação de Projeto de Plataforma (PDA, FS-Pro). Lasers de diferentes comprimentos de onda como fontes de luz foram usados para medir a fotoresposta dos fotodetectores. Diferentes densidades de laser foram determinadas com um irradiômetro.

Resultados e Discussão

A Figura 1a mostra a imagem óptica da heteroestrutura lateral crescida por CVD, ilustrada pelo contraste óptico. Os espectros Raman correspondentes obtidos das diferentes posições marcadas 1 e 2 na Fig. 1a confirmam a configuração do MoS₂ interno (385,5 cm⁻¹ e 405,3 cm⁻¹) e WS₂ externo (351,5 cm⁻¹ e 416,5 cm⁻¹) na Fig. 1b. Alta qualidade cristalina de MoS₂ e WS₂ são implicadas porque nenhum pico de oxidação observado nos espectros Raman correspondentes. Especialmente, os auto-picos de MoS₂ e WS₂ ambos foram observados na interface costurada marcada 3 na Fig. 1a, indicando que dois materiais formam na interface. Além disso, a diferença de frequência entre o modo E₂g e modo A₁g de MoS₂ é 19,8 cm⁻¹, sugerindo monocamada. Considerando WS₂, a razão de intensidade de pico do modo acústico longitudinal (2LA) a 352 cm⁻¹ para modo A₁g, ou seja, I₂LA/I_A1g, é mais precisa para verificar a espessura que diferença de frequência. A razão foi estimada como ~ 2, em concordância com WS₂ monocamada medido por laser 532 nm. O deslocamento vermelho distinto do modo E₂g (vibração no plano) pode ser observado, resultante do efeito de liga em heterojunções laterais. Notavelmente, comportamento similar também foi observado em heterojunções verticais, causado por blindagem dielétrica e acoplamento intercamada. Além disso, o resultado de mapeamento Raman na Fig. 1c com região azul de MoS₂ e região vermelha de WS₂ indica heteroestrutura no plano de alta qualidade e sem costura. Figura 1d, e também demonstram a configuração com MoS₂ dentro e WS₂ fora por mapeamento PL, respectivamente. Vários pontos mostrando intensidades PL aumentadas na região WS₂ podem ser explicados como inhomogeneidade de portadores causada por impurezas ou lacunas. Além disso, as emissões PL mais fortes na interface que a região MoS₂ poderiam ser interpretadas como distribuição inhomogênea de portadores ou maior taxa de recombinação de portadores fotoinduzida nas bordas. Ambos mapeamento Raman e PL sugerem interface nítida e bem costurada entre MoS₂ e WS₂. A espessura e morfologia de superfície foram medidas por microscópio de força atômica (AFM) com modo tapping. Note que poucos contornos de grão resultando em espalhamento de portadores de carga são observados no material interno mas bordas indicando melhor desempenho de transporte elétrico como mostrado na Fig. 1f. A espessura de WS₂ fora é ~ 0,7 nm (base) consistente com WS₂ monocamada crescido por CVD relatado anteriormente, e a diferença de altura entre WS₂ e MoS₂ é cerca de 0,25 nm (topo), implicando MoS₂ monocamada. No geral, os resultados de caracterização de material acima podem demonstrar a heterojunção lateral de monocamada MoS₂/WS₂ com interface nítida.

Fotodetectores foram fabricados usando sistema EBL baseado na heterojunção lateral MoS₂/WS₂. Figura 2a exibe o diagrama esquemático (topo) da heteroestrutura lateral do dispositivo e alinhamento de banda tipo-II correspondente (base). Consequentemente, elétrons e buracos são transferidos e confinados nas regiões MoS₂ e WS₂ através da interface, respectivamente, alcançando conversão fotoelétrica. Atribuímos isso ao efeito de fotogating, como um caso especial de efeito fotocondutivo. O efeito de fotogating pode funcionar como um fotogate local modulando a condutância do canal. A imagem óptica do dispositivo com área efetiva de dispositivo de ~ 40 µm² é descrita na Fig. 2b com eletrodos E1 e E2 como eletrodos de fonte e dreno. Para descobrir a configuração da heterojunção, mapeamento Raman combinado foi realizado (Fig. 2c), indicando os materiais de canal de heterojunção lateral MoS₂/WS₂ entre os eletrodos de fonte e dreno medidos (E1 e E2). As seções azul, vermelha e escura são MoS₂, WS₂ e eletrodos metálicos, respectivamente. Figura 2d mostra as curvas de característica de saída semi-logarítmica da heterojunção lateral sob luz visível com 405 nm, 520 nm e 635 nm, respectivamente. O inseto na Fig. 2d revela uma relação I-V linear entre o canal e os eletrodos. O caráter I-V linear é propício para alcançar alta responsividade mas pobre sensibilidade de fotodetectores devido a uma alta corrente escura. Adicionalmente, a I_ph (ou seja, I_luz - I_escuro) do fotodetector aumenta para 12,5 vezes a de antes do recozimento térmico, o que talvez se atribua a resistência de contato diminuída, remoção de defeitos e condutividades elétricas melhoradas. Figura 2e retrata as características de foto-comutação excitadas pelos comprimentos de onda acima. A corrente transitória sobe rapidamente quando a luz está ligada e cai assim que a luz é desligada, implicando que este fotodetector pode servir como um interruptor ativado por luz rápido.

As características de saída semi-logarítmicas com o mesmo comprimento de onda mas densidades de potência de laser variadas são retratadas na Fig. 3a. Como esperado, a fotocorrente é ampliada conforme as densidades de potência de laser aumentam devido a mais portadores fotogerados induzidos. Figura 3b mostra as curvas I-V com a mesma densidade de potência de laser mas diferentes comprimentos de onda incidentes (ou seja, diferente quantidade de absorção de luz e energia de excitação óptica). Embora o comprimento de onda mais curto possua menos fótons comparado ao mais longo na mesma densidade de potência de laser. Neste caso, a corrente transitória medida aumenta com a diminuição do comprimento de onda de irradiação. Isso pode ser causado pela absorção óptica reduzida no comprimento de onda mais longo. Figura 3c descreve a corrente transitória sob iluminação laser periódica de 10 s, indicando uma fotoresposta estável e reproduzível. Para a maioria dos fotodetectores de baixa dimensionalidade dominados por efeito de fotogating, velocidade de resposta limitada e alta responsividade podem ser obtidas devido à vida útil prolongada de portadores em excesso. O tempo de subida/queda é definido como o tempo requerido para a fotocorrente subir/caer de 10%/90% do valor estável para 90%/10%. O tempo de subida/queda relativamente longo deve ser causado por recombinação lenta de portadores, originada da iluminação laser excitando muitos estados defeituosos. Portanto, o tempo de resposta incluindo tempo de subida e queda foi sacrificado pelo efeito de fotogating devido aos processos de aprisionamento de carga de longa vida. Alguns pesquisadores propuseram que material de canal de alta qualidade que pode oferecer caminho suave e curto para transferência de portadores e estrutura de dispositivo ótima podem melhorar a velocidade de resposta. De fato, as figuras de mérito dos dispositivos fotossensíveis são principalmente responsividade (R) e detectividade (D*). R é calculado pelas relações de R = I_ph/(P·S), onde P e S são densidade de potência de laser e área efetiva de dispositivo, respectivamente. Figura 3d mostra os valores correspondentes de R do fotodetector sob diferentes densidades de potência de laser. O R campeão atinge até ~ 567,6 A/W entregando parâmetro de desempenho competitivo. O alto R é atribuído à recombinação de fotoportadores suprimida na heteroestrutura junto com aprisionamento de elétrons na região MoS₂ presumivelmente. O R diminuído conforme a densidade de potência de laser aumentou revela o efeito de fotogating no fotodetector ainda mais.

Além disso, fotocorrente e densidade de potência de laser seguem equação de lei de potência: I_ph = A·P^α, onde A é constante e 0 < α < 1. O valor de α, obtido ajustando a curva de I_ph versus P na Fig. 4a, está relacionado ao processo de captura, recombinação e transferência de portadores. A relação sublinear entre I_ph e P sugere a presença do efeito de fotogating no dispositivo ainda mais. O valor mais alto de α (como ~ 0,73) pode ser obtido quando densidades de potência mais baixas são aplicadas devido a recombinação de fotoportadores reduzida e interações entre portadores. Em contraste, densidades de potência mais altas podem resultar em valor α degradado de ~ 0,55 devido a perdas de recombinação mais fortes e mais estados de armadilha. A pré-condição do D* calculado via equação D* = R·(S/2eI_dark)¹ᐟ² é que os fotodetectores são limitados por ruído de shot como principal fonte de ruído. Para avaliar D* mais precisamente, a corrente de ruído obtida na Fig. 4b é medida sob diferentes frequências. Figura 4b mostra o típico ruído 1/f em nossos fotodetectores, que é impedimento significativo para indústria de semicondutores de novos materiais. Este tipo de ruído resulta principalmente de impurezas carregadas e sítios de aprisionamento no canal condutivo. Maior qualidade de material e baixa densidade de defeitos estruturais são desejados para reduzir ruído 1/f. De acordo com a fórmula D* = R·(SΔf)¹ᐟ²/I_noise, onde Δf e I_noise são largura de banda de medição e corrente de ruído, a detectividade do fotodetector é cerca de 7,17 × 10¹¹ Jones. Tabela 1 comparou alguns fotodetectores representativos selecionados com desempenho de fotoresposta correspondente baseado em materiais 2D. O R e D* relativamente altos de nossos fotodetectores mostram grande potencial em dispositivos optoeletrônicos.

Conclusões

Em resumo, um fotodetector de alto desempenho foi desenvolvido baseado na heterojunção lateral de monocamada MoS₂/WS₂. O tamanho dos materiais de canal crescidos pelo método CVD em fase líquida em uma etapa atinge escala milimétrica. Além disso, os materiais de canal de alta qualidade com boa uniformidade e interface nítida foram examinados por caracterizações de material sistemáticas e medições de dispositivo subsequentes. Particularmente, alta responsividade de 567,6 A/W e detectividade de ~ 10¹¹ Jones são alcançadas para os fotodetectores atribuindo ao efeito de fotogating. O desempenho dos fotodetectores de heterojunção lateral MoS₂/WS₂ propostos é melhor que ou comparável ao trabalho relatado. Além disso, supomos que o ruído 1/f indesejado surgindo do aprisionamento/dessorção de portadores de carga pode ser ainda reduzido por material de canal de alta qualidade e sem defeitos. O crescimento CVD em fase líquida em uma etapa facilitado e excelente desempenho optoeletrônico dos fotodetectores podem motivar pesquisa adicional sobre dispositivos optoeletrônicos baseados em heteroestruturas laterais.