Phototransistor MoTe₂ stable à l'air avec contacts asymétriques offrant une réponse photovoltaïque forte et sous-milliseconde

Résumé

Nous rapportons la fabrication d'un phototransistor MoTe₂ multicouche, de type p, stable à l'air, incorporant des contacts source et drain asymétriques. En utilisant des électrodes Au, le dispositif exhibe une réponse photovoltaïque prononcée dans l'état éteint. La cartographie de photocourant résolue spatialement par microscopie de photocourant à balayage révèle que des marches de potentiel se forment aux interfaces MoTe₂/électrode en raison du dopage induit par le métal. Ces marches dominent la séparation des porteurs sous court-circuit ou faible biais source-drain, donnant lieu à un photocourant net. Le dispositif répond plus rapidement en mode court-circuit, avec des temps de montée et de descente inférieurs à 1 ms, et sa photoréponse s'étend dans le proche infrarouge jusqu'à 1550 nm.

Contexte

Les matériaux bidimensionnels (2D) tels que le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) ont transformé la nanosciences en offrant des semi-conducteurs atomiquement minces avec des gaps de bande significatifs et une flexibilité mécanique exceptionnelle [1–9]. Parmi eux, le 2H‑MoTe₂ est notable pour son gap de bande indirect de 0,83 eV dans le volume et un gap de bande direct de 1,1 eV lorsqu'il est aminci à une monocouche [22,23]. Ce matériau a été exploré pour la spintronique, les transistors à effet de champ (FET), les photodétecteurs et les cellules solaires [24–33]. La performance électrique des dispositifs MoTe₂ dépend de la qualité des contacts métalliques. Des matériaux d'électrodes appropriés peuvent induire un dopage de type p ou n et atteindre un contact ohmique à faible barrière [34–40]. Bien que de nombreuses études comparent les métaux de contact, peu ont examiné systématiquement comment les géométries de contact asymétriques influencent la physique du dispositif, particulièrement dans les photodétecteurs photovoltaïques.

Ici, nous fabriquons un phototransistor MoTe₂ multicouche, de type p, stable à l'air avec des sections transversales de contact source/drain asymétriques. En utilisant la microscopie de photocourant à balayage (SPCM), nous cartographions le profil de potentiel spatial et démontrons que les contacts asymétriques donnent lieu à un photocourant net non nul et un comportement photovoltaïque, même dans l'état éteint. Le dispositif délivre une photoréponse sous-milliseconde et fonctionne jusqu'à 1550 nm, le rendant approprié pour les applications de communication.

Résultats et discussion

Deux dispositifs MoTe₂ multicouches à grille arrière (D1 et D2) ont été fabriqués sur des substrats SiO₂ 300 nm / p⁺-Si. La microscopie optique, l'AFM et la spectroscopie Raman ont confirmé la qualité et l'épaisseur du canal MoTe₂. Le dispositif D1, montré Figure 1, a une longueur de canal de 10 µm et un film MoTe₂ de 23 nm d'épaisseur. Les sections transversales des contacts source et drain sont de 6,5 µm et 4,8 µm respectivement, fournissant une asymétrie prononcée (voir Fichier additionnel 1 : Figure S1).

La caractérisation électrique (Figure 1c) montre un comportement clair de type p avec un rapport marche/arrêt de 6,8 × 10³ à 1 V de biais source-drain. La mobilité à effet de champ est de 14,8 cm²/Vs. Même à biais réduit (100 mV), le rapport marche/arrêt reste au-dessus de 6,0 × 10³ (Fichier additionnel 1 : Figure S3). Le dispositif exhibe une hystérésis minimale et conserve sa stabilité dans l'air.

Sous illumination 637 nm (Figure 2), le courant source-drain augmente avec la puissance laser. Lorsque la tension de grille est réglée à 5 V, le transistor entre dans l'état éteint mais affiche toujours un photocourant mesurable, témoignant d'une action photovoltaïque. La tension à circuit ouvert (V_OC) sature à 50 mV, tandis que le courant de court-circuit (I_SC) augmente de 0 à 1,6 nA à mesure que la puissance d'illumination augmente de 0 à 4,2 mW. Important, V_OC et I_SC restent inchangés lorsque la polarité du biais appliqué est inversée, confirmant que le photocourant provient d'un effet photovoltaïque intrinsèque plutôt que d'artefacts thermoélectriques ou photothermoélectriques (Figure 2d).

La cartographie SPCM (Figure 3) à 1200 nm de longueur d'onde révèle que de forts pics de photocourant émergent près des interfaces MoTe₂/électrode sous conditions de court-circuit. Les pics se déplacent vers le centre du canal lorsque la tension de grille arrière est augmentée de –5 V à +5 V, indiquant que la marche de potentiel aux contacts domine la séparation des porteurs à faible biais. Lorsque le biais source-drain est augmenté (Figure 4), le pic de photocourant se déplace progressivement vers le centre du canal, confirmant que le biais appliqué supplante éventuellement la marche de potentiel induite par les contacts.

Ces observations démontrent que la géométrie de contact asymétrique crée un photocourant net même lorsque le dispositif est électriquement éteint. La réponse photovoltaïque est robuste à travers des dispositifs avec des degrés d'asymétrie variables (D2 et échantillons additionnels dans Fichier additionnel 1 : Figure S8) et persiste à travers une large gamme spectrale.

Les mesures résolues dans le temps (Figure 5a) montrent des temps de montée de 20 µs et des temps de descente de 127 µs sous biais source-drain nul, tandis que les temps augmentent à 210 µs et 302 µs, respectivement, à 1 V de biais. Ce comportement reflète la transition de la génération de photocourant dominée par les contacts à celle dominée par le canal. Les mesures de réponse spectrale (Figure 5b) confirment que le dispositif est sensible de 1200 nm à 1550 nm, couvrant la fenêtre standard de communication optique.

Conclusions

Nous avons fabriqué un phototransistor MoTe₂ de type p, stable à l'air, avec des contacts source/drain asymétriques qui exhibe une réponse photovoltaïque prononcée dans l'état éteint. La microscopie de photocourant à balayage a révélé que les marches de potentiel induites par le métal aux interfaces MoTe₂/électrode sont le moteur clé de la séparation des porteurs sous faible biais. Le dispositif délivre une photoréponse sous-milliseconde et opère à travers le spectre visible et proche infrarouge jusqu'à 1550 nm, soulignant son potentiel pour les photodétecteurs à faible puissance et les applications de communication optique.

Méthodes/Expérimental

Les électrodes source, drain et grille ont été structurées sur des substrats SiO₂ 300 nm / p⁺-Si en utilisant la photolithographie UV standard, suivie de l'attaque sélective du SiO₂ sous la grille et l'évaporation par faisceau d'électrons de 5 nm/100 nm Cr/Au. Les cristaux MoTe₂ multicouches ont été exfoliés mécaniquement à partir de cristaux uniques 2H‑MoTe₂ cultivés par transport chimique en phase vapeur (agent de transport TeCl₄, 750 °C → 700 °C, 3 jours). Les flocons MoTe₂ ont été transférés sur les électrodes structurées en utilisant l'alcool polyvinylique (PVA) comme milieu de transfert, qui a été ensuite dissous dans l'eau et rincé à l'alcool isopropylique. L'AFM (SPA‑300HV) et la spectroscopie Raman (laser 514 nm, objectif 100×) ont caractérisé l'épaisseur et la qualité cristalline.

Les mesures électriques et de photoréponse ont été effectuées avec un analyseur de semi-conducteurs Agilent B1500A et une station de sondes Lakeshore sous illumination laser 637 nm (spot > 200 µm). Le photocourant résolu dans le temps a été enregistré avec un préamplificateur DL1211 et un oscilloscope Keysight MSOX3024T. Le photocourant résolu spatialement a utilisé une configuration SPCM maison avec un laser à lumière blanche SuperK EXTREME, accordable via un filtre SuperK SELECT, focalisé par un objectif 20×. Le photocourant a été extrait avec un préamplificateur DL1211 et un amplificateur à verrouillage de phase SR830 à une fréquence de hachage de 1 kHz.

Abréviations

2D

Bidimensionnel

2H‑MoTe₂

Ditellurure de molybdène de type 2H

AFM

Microscopie à force atomique

FET

Transistor à effet de champ

I_PC

Photocourant

I_SC

Courant de court-circuit

I_sd

Courant source-drain

PVA

Alcool polyvinylique

TMD

Dichalcogénures de métaux de transition

V_bg

Tension de grille arrière

V_OC

Tension à circuit ouvert

V_sd

Tension source-drain

τ_fall

Temps de descente

τ_rise

Temps de montée