Homojonction dans le plan WSe2 induite par l'interface pour une photodétection hautes performances

Introduction

Au cours de la dernière décennie, les dichalcogénures de métaux de transition 2D (TMDC) ont attiré une grande attention en raison de leurs propriétés particulières. Une mobilité élevée dans le plan, une bande interdite réglable, une flexibilité mécanique, une forte interaction lumière-matière et un traitement facile les rendent très compétitifs pour les futurs dispositifs nano-optoélectroniques [1,2,3,4,5,6,7,8,9, 10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]. En particulier, le diséléniure de tungstène (WSe₂ ), un semi-conducteur bipolaire avec une manipulation facile de type porteur, permet des applications remarquablement potentielles dans les photodétecteurs à jonction [21,22,23,24,25,26,27,28]. Jusqu'à présent, les principales stratégies de construction de jonction uniquement en WSe₂ comprennent le dopage chimique et le déclenchement électrostatique. Par exemple, récemment, un WSe₂ intramoléculaire La jonction p-n a été rapportée [26]. La région n et la région p dans WSe₂ ont été formés par dopage chimique à la polyéthylèneimine et contrôle de porte arrière, respectivement. La jonction p-n a présenté une réactivité de 80 mA W ⁻¹ et 200 μs de temps de réponse. Sun et al. dopé WSe₂ en utilisant du bromure de cétyltriméthylammonium pour former une jonction p-n intramoléculaire, dans laquelle la réactivité et le temps de réponse sont de 30 A W ⁻¹ et ~ 7 ms, respectivement [27]. Baugher et al. démontrer un WSe₂ latéral Jonction p-n obtenue par déclenchement électrostatique en appliquant deux polarisations de grille de polarité opposée. La réactivité de 210 mA W ⁻¹ a été obtenu [28]. Cependant, en raison des impuretés chimiques inévitables et des paramètres de polarisation multiples nécessaires, ces méthodes rendent la fabrication et l'application de dispositifs à base de jonction complexes et difficiles. Assemblage de divers matériaux 2D pour construire des hétérostructures verticales de van der Waals comme WSe₂ /MoS₂ jonction [29] est devenu populaire pour le développement de nouveaux photodétecteurs. Mais, dans cette configuration, le processus de transport de porteurs entre différents matériaux en couches souffre des défauts d'interface, ce qui restreint la vitesse de réponse du dispositif. Pour la jonction Schottky formée entre les métaux et les matériaux 2D, la hauteur de la barrière Schottky est généralement déterminée par l'épinglage au niveau de Fermi, qui est incontrôlable et a un impact important sur la réactivité des dispositifs. De plus, les travaux signalés ne semblent pas posséder à la fois une réactivité élevée et une vitesse de réponse rapide.

Ici, nous démontrons un moyen facile et plus efficace de réaliser un WSe₂ dans le plan homojonction. Dans l'architecture, partie de WSe₂ le canal est sur le Si/SiO₂ substrat et l'autre partie se trouve sur le flocon h-BN. Ce schéma est courant dans les mémoires à grille flottante/semi-flottante, dans lesquelles le h-BN est adopté comme couche diélectrique de grille [30, 31]. Les charges stockées d'un côté de la couche de h-BN peuvent réguler la conductivité du matériau de l'autre côté. Dans notre travail, cependant, le flocon h-BN en tant qu'isolateur parfait est utilisé pour éliminer l'effet de porte d'interface sur le WSe₂ canaliser. La polarité de WSe₂ , dont la partie est uniquement sur le Si/SiO₂ substrat, peut être modulé par la porte d'interface. En conséquence, les appareils fonctionnent bien en mode photovoltaïque (PV) à zéro polarisation. Pendant ce temps, il présente des caractéristiques photoconductrices (PC) avec une polarisation élevée. Une réactivité de 1,07 A W ⁻¹ avec une détectivité supérieure de plus de 10 ¹² jones et un temps de réponse rapide de 106 s sont obtenus simultanément sans la conception complexe de l'appareil et le risque d'introduire des impuretés chimiques supplémentaires.

Résultats et discussion

La figure 1a montre un schéma du WSe₂ dans le plan homojonction. On peut voir qu'une partie de WSe₂ le flocon est placé sur le flocon h-BN (WSe₂ -h) et l'autre partie contacte le Si/SiO₂ substrat directement (WSe₂ -S). La fonction de h-BN est d'isoler la porte d'interface (IG) du Si/SiO₂ substrat sur le WSe₂ -h. Ainsi, la formation d'homojonction entre WSe₂ -h et WSe₂ -S repose principalement sur l'IG modulant la polarité de WSe₂ -S. L'IG est produit par les charges piégées au niveau du SiO₂ surface. Ceci sera discuté ci-dessous en détail. La figure 1b présente l'image optique de l'appareil. Quatre électrodes (E1-E4, Ti/Au) ont été préparées par lithographie par faisceau d'électrons, métallisation et procédé de lift-off. L'épaisseur des matériaux est caractérisée au microscope à force atomique (AFM) (voir Fig. 1c). La hauteur de WSe₂ (h-BN) flocon en contact direct avec le Si/SiO₂ substrat (lignes pointillées blanches) a été mesurée à 65 (23) nm (voir Fig. 1d, e). On peut voir qu'il y a une pente au lieu d'un pas brusque dans le profil de hauteur entre le WSe₂ (h-BN) et le Si/SiO₂ substrat. Cela peut être dû à la résine photosensible résiduelle au bord du matériau. La figure 1f montre les spectres Raman de WSe₂ et des flocons de h-BN. Pour le WSe₂ , le premier ordre E_2g et A_1g Les modes Raman sont clairement distingués ~ 250 cm ⁻¹ , suggérant que le WSe₂ a une morphologie multicouche [32, 33]. Pour le h-BN, le pic Raman de E_2g mode à ~ 1370 cm ⁻¹ Est observé. En raison de la large bande interdite de h-BN, le signal Raman est faible par rapport à celui de WSe₂ [34].

Schéma d'un WSe₂ dans le plan homojonction. un Structure de l'appareil. b Image optique de l'appareil. Fait partie de WSe₂ contacte h-BN flocon tandis que l'autre partie contacte Si/SiO₂ substrat. c Image AFM de l'appareil. Les lignes pointillées blanches indiquent les positions où l'épaisseur de h-BN (gauche) et WSe₂ (à droite) sont extraits. Pour le canal entre E1 et E2, la largeur moyenne (longueur) est de ~ 19,15 (~ 6,33) m. Pour le canal entre E2 et E3, la largeur moyenne (longueur) est de ~ 23,15 (~ 5) m. Pour le canal entre E3 et E4, la largeur moyenne (longueur) est de ~ 22 (~ 5,38) m. d , e Profils de hauteur de WSe₂ et des flocons de h-BN. f Spectres Raman de WSe₂ et flocons h-BN avec excitation laser 532 nm

Pour explorer l'effet du substrat sur WSe₂ , caractéristiques de transfert de WSe₂ -S et WSe₂ -h ont été étudiés séparément. Comme le montre la figure 2a, les deux courbes de transfert présentent un comportement bipolaire et une hystérésis évidente peut être observée dans la courbe de WSe₂ -S (noir) comparé à celui de WSe₂ -h (rouge). Le courant de WSe₂ -h est supérieur à celui de WSe₂ -S. La forte pente dans la courbe de WSe₂ -h indique une transconductance relativement grande, qui est proportionnelle à la mobilité du porteur. Pour WSe₂ -S, l'hystérésis est attribuée au piégeage des charges au niveau du SiO₂ surface [35,36,37,38]. Quand V _g a été balayé de − 30 à 0 V, le V négatif _g fait le WSe₂ peuplé de trous et perce des trous dans le SiO₂ (voir la figure 2b). Les trous piégés dans SiO₂ générer une porte locale positive, c'est-à-dire IG, pour moduler le WSe₂ conductance en retour (faible effet de déplétion). Par conséquent, le point de neutralité de charge de V _g apparaît autour de − 5   V. De même, lorsque V _g a été balayé de 30 à 0 V, le V positif _g fait le WSe₂ peuplé d'électrons et entraîne également des électrons dans le SiO₂ (voir la figure 2c). Les électrons piégés dans SiO₂ générer un IG négatif pour moduler le WSe₂ conductance en retour (le même effet d'épuisement faible). Ainsi, le point de neutralité de charge de V _g apparaît autour de 5   V. Pour WSe₂ -h, le flocon h-BN inhibe le transfert de porteur entre WSe₂ et SiO₂ sous V _g modulation. C'est la raison de l'hystérésis non évidente dans le WSe₂ -h courbe. Par conséquent, une homojonction dans le plan peut être formée simplement en tirant parti de l'IG.

Caractéristiques de transfert. un Je _d -V _g courbes de WSe₂ -S (ligne noire) et WSe₂ -h (ligne rouge). La direction de balayage de V _g est indiqué par les flèches. b , c Explication physique du phénomène d'hystérésis. Les flèches indiquent la direction du champ électrique induit par V _g . Les sphères rouges et bleues représentent respectivement les trous et les électrons

La figure 3a montre le I _d -V _d courbes de l'appareil dans des conditions sombres et lumineuses à V _g =0 V. La tension source-drain est appliquée sur les électrodes E2 et E3 (voir l'encadré). On constate que les courants de court-circuit (à V _d =0 V) augmente avec la puissance incidente, indiquant un effet PV. Fait intéressant, les courbes présentent également les caractéristiques du PC à V _d =± 1 V. Pour le premier, les photocourants sont attribués à l'homojonction. Comme le montre la figure 3b, bien que V _d et V _g ont été fixés à 0 V, quelques trous déjà piégés dans SiO₂ former un petit IG positif pour moduler le WSe₂ -S. Donc, le n ^- -type WSe₂ -S et WSe intrinsèque₂ -h (sans l'effet de IG dû à l'isolement par h-BN flocon) constituent une homojonction dans le plan. Sous éclairage, les paires électron-trou photoexcitées seront séparées par le champ intégré de l'homojonction. Bien que Je _d -V _d les courbes présentent bien les caractéristiques PV à un biais nul, l'homojonction n'a pas montré de comportement de redressement peut-être en raison du champ intégré relativement faible par rapport au V appliqué de l'extérieur _d . Pour ce dernier, l'ensemble WSe₂ flocon comme un photoconducteur répond au signal lumineux à haute polarisation. Les porteurs photoexcités seront conduits vers les électrodes par V _d . Par conséquent, la photoréponse sur la figure 3a est le résultat de l'effet synergique des modes PV et PC. Les responsivités en fonction de la puissance lumineuse pour différents V _d sont résumés dans la Fig. 3c, donnée par R =Je _ph /PA , où Je _ph est le photocourant, P est l'intensité de puissance, et A est la surface photosensible effective du détecteur [39, 40]. Lors du calcul, la zone photosensible effective, c'est-à-dire le WSe₂ la partie entre E2 et E3, est de 115,75 μm ² . Les responsabilités de 1.07 A W ⁻¹ et 2,96 A W ⁻¹ sont obtenus pour V _d de 0 V et 1 V, respectivement. La détectivité spécifique (D ^* ) en tant que paramètre important détermine la capacité d'un photodétecteur à répondre à un signal lumineux faible. En supposant que le bruit de grenaille du courant d'obscurité est la principale contribution, D ^* peut être défini comme D ^∗ =RA ^1/2 /(2eI _sombre ) ^1/2 , où R est la réactivité, A est la zone photosensible effective, e est la charge électronique, et I _sombre est le courant d'obscurité [41, 42]. Bénéficiant du très faible I _sombre , D ^* de 3,3 × 10 ¹² jones (1 jones =1 cm Hz ^1/2 W ⁻¹ ) et 1,78 × 10 ¹¹ jones sont atteints pour V _d de 0 V et 1 V, respectivement. De plus, le temps de réponse en tant que facteur clé de mérite a été étudié. Comme le montre la figure 3d, un état de courant haut et bas acquis à V _d =0 V ont été obtenus avec la modulation de la lumière. La photoréponse transitoire présente des caractéristiques hautement stables et reproductibles. La figure 3e donne un seul cycle de modulation de réponse temporelle. Le temps de montée (t _r ), défini comme le temps nécessaire pour que le courant passe de 10 % I _pic à 90 % Je _pic , s'est avéré être ~ 106 μs, et le temps de chute (t _f ), défini de manière analogue, s'est avéré être ~91 μs. La figure S1 montre la réponse temporelle de l'appareil acquise à V _d =1 V. t _r et t _f ont été trouvés à ~105 μs et ~ 101 μs, respectivement. Le tableau 1 résume les WSe₂ signalés homojonction formée par différentes méthodes. De toute évidence, l'appareil dans notre travail a un D élevé ^* , comparable R , et une vitesse de réponse relativement rapide. De plus, la figure S2 présente les caractéristiques de photoréponse des trois autres dispositifs. Des courants PV et PC distincts peuvent être observés à zéro et à polarisation élevée, respectivement. La détectivité de tous les WSe₂ homojonctions est supérieur à 10 ¹² jones, et le temps de réponse est d'un peu plus de 100  μs, ce qui prouve que nos appareils peuvent très bien répéter la photodétection haute performance.

Performance de photoréponse de l'homojonction acquise entre E2 et E3. un Courant de drain en fonction de la tension source-drain appliquée sur les électrodes E2 et E3 (voir encadré) avec une intensité lumineuse variable (637 nm). b Mécanisme de formation de l'homojonction en V _g =0 V et V _d =0 V. c Réactivité en fonction de la puissance lumineuse. d , e Réponse temporelle de l'appareil acquise à V _d =0 V pour un éclairage de 637 nm. Un oscilloscope a été utilisé pour surveiller la dépendance temporelle du courant

Les figures 4a et b présentent le I _d -V _d caractéristiques de WSe₂ -h et WSe₂ -S séparément. Les courbes des deux WSe₂ -h et WSe₂ -S présente une propriété PC, et il n'y a pas de photocourant à zéro de polarisation. En fait, Ti/WSe₂ /Ti doit être supposé former une structure métal/semi-conducteur/métal qui contient deux jonctions Schottky avec un champ intégré opposé. Ainsi, le Je _d -V _d les courbes doivent traverser le point zéro et présenter un comportement PC. Dans notre cas, en raison des différentes fonctions de travail de WSe₂ -h et WSe₂ -S, il y a deux contacts Schottky asymétriques, c'est-à-dire E2/WSe₂ -S et E3/WSe₂ -h, comme le montre la figure 4c. À polarisation nulle, la direction des photocourants nets provenant des jonctions Schottky est opposée à celle de l'homojonction, et le résultat de l'expérience montré sur la figure 3a est cohérent avec cette dernière. Par conséquent, l'homojonction formée entre WSe₂ -h et WSe₂ -S est la cause des photocourants de court-circuit.

Effet de la jonction Schottky sur la photoréponse. un Je _d -V _d courbes de WSe₂ -h avec tension source-drain appliquée sur les électrodes E3 et E4 (voir l'encadré) sous un éclairage lumineux (637 nm). b Je _d -V _d courbes de WSe₂ -S avec tension source-drain appliquée sur les électrodes E1 et E2 (voir l'encart) sous un éclairage lumineux (637 nm). c Diagramme de bande schématique du dispositif d'homojonction avec contacts Schottky asymétriques, c'est-à-dire E2/WSe₂ -S et E3/WSe₂ -h, à zéro biais

Pour démontrer davantage que la photoréponse à zéro biais est attribuée à l'homojonction, les propriétés de sortie ont été étudiées en mesurant le I _d -V _d courbes du dispositif avec la tension source-drain appliquée sur les électrodes E1 et E4. Comme le montre la figure S3a, les courbes, identiques à celles de la figure 3a, présentent également les caractéristiques PV et PC. Comme discuté ci-dessus, pour le premier, les photocourants sont attribués au champ intégré d'homojonction dans le plan formé entre WSe₂ -S et WSe₂ -h. Pour ces derniers, les photocourants sont attribués à la collection de porteurs photoexcités par le V appliqué extérieurement _d . Les responsivités en fonction de la puissance lumineuse pour différents V _d sont résumés dans la figure S3b. Les responsivités (détectivités) de 0,51 A W ⁻¹ (2,21 × 10 ¹² jones) et 3,55 A W ⁻¹ (5,54 × 10 ¹² jones) sont obtenus pour V _d de 0 V et 1 V, respectivement. Lors du calcul, la zone photosensible effective, c'est-à-dire le WSe₂ partie entre E1 et E4, est de 519,4 μm ² . Le temps de réponse mesuré à zéro biais est illustré sur les figures S3c et 3d, dans lesquelles le temps de montée est de 289 µs et le temps de descente de 281 µs. Pour le V _d de 1 V (Figure S3e et 3f), les temps de montée et de descente sont respectivement de 278 μs et 250 μs. La vitesse de réponse est un peu plus lente que celle mesurée entre les électrodes E2 et E3, car le canal conducteur relativement long augmente la distance de transmission des photoporteurs et la probabilité d'interaction entre photoporteurs et défauts.

Conclusion

En résumé, nous avons démontré un WSe₂ dans le plan homojonction en accordant électriquement WSe₂ partiel s'écailler à travers la porte d'interface. Par rapport aux approches existantes telles que le dopage chimique et le déclenchement électrostatique en tirant parti de deux polarisations de grille, cette conception offre un itinéraire plus facile pour réaliser WSe₂ homojonction. Avec un éclairage lumineux, l'appareil produit des photocourants de court-circuit distincts avec une détectivité de 3,3 × 10 ¹² jones. À une polarisation élevée, l'appareil présente une caractéristique photoconductrice et génère des photocourants avec une détectivité de 1,78 × 10 ¹¹ jones. Un temps de réponse aussi rapide que 106µs est également obtenu simultanément. Notre étude fournit un moyen efficace et fiable pour le développement de WSe₂ haute performance photodétecteurs.

Méthodes

Les deux WSe₂ et les matériaux en vrac h-BN ont été achetés auprès de Shanghai Onway Technology Co., Ltd. Premièrement, le h-BN et le WSe₂ les flocons ont été exfoliés mécaniquement sur un p ⁺ -Si/SiO₂ (300 nm) et une couche de poly-diméthylsiloxane (PDMS), respectivement. Ensuite, un micromanipulateur a été utilisé pour mettre le WSe₂ flocon, qui est adhéré au PDMS, sur le flocon h-BN cible à travers le microscope pour localiser la position. Fait partie de WSe₂ le flocon chevauche le flocon h-BN. Enfin, le WSe₂ des flocons ont été libérés du PDMS en chauffant le substrat. Les électrodes (Ti/Au) ont été préparées par lithographie par faisceau d'électrons, métallisation et procédé de lift-off. Les mesures de photoréponse ont été effectuées à l'aide de l'analyseur de paramètres à semi-conducteur Agilent B1500 et d'une diode laser avec une longueur d'onde de 637  nm.

Disponibilité des données et des matériaux

Les données qui appuient les conclusions de ce travail sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

TMDC :

Dichalcogénures de métaux de transition

PV :

Photovoltaïque

PC :

Photoconducteur

AFM :

Microscope à force atomique

IG :

Portail d'interface

PDMS :

Poly-diméthyl siloxane