Photoréactivité dépendante du biais des phototransistors MoS2 multicouches

Contexte

Récemment, les matériaux de dichalcogénure de métal de transition (TMD), y compris le bisulfure de molybdène (MoS₂ ) et le diséléniure de tungstène (WSe₂ ) ont reçu une attention considérable en tant que matériau de canal pour les dispositifs nanoélectroniques de prochaine génération [1,2,3,4,5,6]. En particulier, les transistors à couche mince qui utilisent MoS₂ présentent des caractéristiques électriques intéressantes telles qu'une mobilité électronique élevée (~ 200 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ ), rapport ON/OFF à courant élevé (~ 10 ⁸ ) et une faible oscillation sous le seuil (~ 70 mV dec ⁻¹ ) dans un MoS monocouche₂ transistor [7]. De plus, MoS₂ attire l'attention en tant que couche absorbant la lumière dans les dispositifs optoélectroniques en raison de son énergie de bande interdite (monocouche MoS₂ a une bande interdite directe de 1,8 eV [8] et un MoS en vrac₂ a une bande interdite indirecte de 1,2 eV [9]) et un grand coefficient d'absorption (α = 1–1,5 × 10 ⁶ cm ⁻¹ pour monocouche [10] et 0,1–0,6 × 10 ⁶ cm ⁻¹ pour le vrac [11]). Par conséquent, les phototransistors utilisant MoS₂ ont un faible courant d'obscurité à l'état OFF et une photoréactivité élevée. Les performances de MoS₂ les phototransistors ont été améliorés en introduisant une couche supplémentaire telle que le graphène [12,13,14,15], la boîte quantique [16,17,18], le colorant organique [19], WS₂ [20,21,22], ZnO [23] et MoS de type p₂ [24] ou en changeant le diélectrique de grille [7, 25, 26]. De cette façon, de nombreuses études ont été activement menées pour améliorer la photoréactivité grâce à des procédés de fabrication supplémentaires; cependant, il y a un manque de recherche sur le contrôle de gain et la compréhension spécifique de MoS₂ phototransistors. Lorsque le contrôle du gain est activé, une large gamme d'intensités lumineuses peut être détectée de manière fiable et le gain peut être augmenté sans aucun processus de fabrication supplémentaire. Dans ce contexte, nous avons étudié la photoréactivité contrôlée par le biais (drain ou grille) dans le MoS multicouche₂ phototransistors.

Méthodes

La figure 1a montre le diagramme schématique du MoS multicouche fabriqué₂ phototransistor. Nous avons développé le SiO₂ à 250 nm sur un substrat de silicium fortement dopé n. Le MoS multicouche₂ les flocons ont été exfoliés mécaniquement à partir de MoS en vrac₂ (Graphene Supermarket, USA) et transféré dans un SiO₂ /Si en utilisant la méthode conventionnelle du scotch-tape [27]. Les électrodes de source et de drain ont été modelées par photolithographie et Ti/Au (5/80 nm) ont été déposés sur le modelé en utilisant un évaporateur à faisceau électronique. La figure 1b montre l'image AFM (microscope à force atomique) du phototransistor fabriqué. La longueur et la largeur du canal sont de 7,31 et 4,74 m, respectivement, et l'encart montre l'épaisseur du MoS multicouche₂ est d'environ 49 nm, ce qui correspond à environ 75 couches, en supposant que l'épaisseur d'une couche est de 0,65 nm [28, 29].

Le MoS fabriqué₂ phototransistor et caractéristiques électriques. un Schéma de principe du MoS multicouche fabriqué₂ phototransistor. b Image au microscope à force atomique (AFM) du phototransistor. L'encart est le tracé de la section transversale le long de la ligne rouge dans l'image AFM. c Caractéristiques de transfert du MoS multicouche₂ phototransistor avec des tensions de drain de 3, 9, 15, 21 et 27 V dans l'obscurité. d Variations de l'oscillation sous le seuil avec augmentation du biais de drain

Résultats et discussion

La figure 1c montre les caractéristiques de transfert du MoS multicouche₂ phototransistor avec des polarisations de drain de 3, 9, 15, 21 et 27 V dans l'obscurité. Les caractéristiques courant-tension du MoS multicouche fabriqué₂ phototransistor ont été mesurés à l'aide d'un compteur de source à double canal (Keithley 2614B) à température ambiante et N₂ ambiant. Le rapport ON/OFF est d'environ 10 ⁵ . La mobilité par effet de champ a été estimée à 18,6 cm ² /V s pour une polarisation de drain de 3 V à partir de l'équation suivante [26] :

où L est la longueur du canal, W est la largeur du canal et la capacité d'oxyde C _OX est 1,38 × 10 ⁻⁸ F/cm ² . Il a été clairement observé que lorsque la polarisation de drain est augmentée, la tension de seuil diminue et l'oscillation sous-seuil augmente. Cela indique que la tension de seuil et l'oscillation sous le seuil sont affectées par la polarisation du drain. En général, la tension de seuil est estimée par l'équation :

où V _GS (0) est l'intersection entre la ligne de tendance dans une partie linéaire de la courbe de transfert et le x -axe. Cependant, l'éq. (2) suppose un faible biais de drain tel que les effets de saturation de vitesse sont négligeables (V _DS 〈〈L ⋅ ν _samedi /μ _eff = 10 V, où ν _samedi est la vitesse de saturation et μ _eff est la mobilité par effet de champ); par conséquent, il est difficile d'extraire la tension de seuil exacte pour une grande polarisation de drain. Pour cette raison, nous n'avons extrait que le changement d'oscillation sous le seuil et confirmé l'effet du biais de drain sur le canal. La figure 1d montre la variation de l'oscillation sous-seuil extraite de la pente de la partie linéaire du log (I _D ) − (V _GS ) graphique pour différents biais de drain. L'oscillation sous le seuil est passée de 1,44 V/décade à 3,14 V/décade lorsque la polarisation de drain est passée de 3 à 27 V. Cela implique qu'une polarisation de drain importante abaisse la barrière entre le MoS₂ canal et l'électrode source Au, affaiblissant ainsi la contrôlabilité du canal de la polarisation de la grille.

Pour étudier la réactivité du MoS₂ phototransistor, nous avons mesuré les caractéristiques de transfert à diverses densités de puissance d'éclairage à l'aide d'un laser à semi-conducteurs pompé par diode (DPSS) de longueur d'onde de 466 nm. La figure 2a montre les caractéristiques de transfert du MoS multicouche₂ phototransistor dans l'obscurité et sous trois intensités lumineuses différentes (5, 7 et 10 mW/cm ² ), à une tension de drain de 3 V. Au fur et à mesure que l'intensité lumineuse augmente, la courbe de transfert se déplace vers la gauche, ce qui montre que les trous photogénérés sont piégés dans le MoS₂ canal et agissent comme un biais de porte positif [13, 30, 31]. La figure 2b montre que la variation du photocourant et de la réactivité lorsque l'intensité lumineuse et la polarisation du drain augmentent à une polarisation de grille constante de - 30 V. Le photocourant est obtenu par la différence entre le courant de drain sous éclairage et dans l'obscurité (I _ph = Je _illuminé − Je _sombre ), et la réactivité est définie par I _ph /P _lumière , où Je _ph est le photocourant et P _lumière est la puissance optique illuminée sur le MoS₂ canaliser. Au fur et à mesure que la polarisation du drain et l'intensité lumineuse augmentent, le photocourant et la réactivité augmentent. Considérant un laser avec une longueur d'onde de 466 nm, la réactivité correspondant à 100% de l'efficacité quantique externe (EQE) est de 0,375 A/W, et la réactivité mesurée dépasse cette valeur, lorsque le biais de drain est de 15 V et l'intensité lumineuse est 8 mW/cm ² . Cela signifie qu'il y a un gain de photoréponse dans ce MoS multicouche₂ phototransistor et qu'il est affecté par le biais de drain.

Caractéristiques de photoréponse de MoS₂ phototransistors en fonction de l'intensité lumineuse éclairée. un Caractéristiques de transfert avec un V constant _DS = 3 V sous éclairage avec trois intensités lumineuses différentes (5, 7 et 10 mW/cm ² ). b Changement de photocourant avec augmentation de l'intensité de la lumière lorsque différents biais de drain (V _DS = 9, 15 V) et une polarisation de grille constante (V _GS = − 30 V) sont appliqués

Afin d'observer l'évolution de la photoréactivité en fonction de la tension de grille, nous avons mesuré le photocourant en augmentant la tension de drain de 3 à 27 V sous 5 mW/cm ² éclairage lumineux (Fig. 3a). À mesure que la polarisation de grille appliquée augmente, le photocourant augmente de façon exponentielle à l'état OFF (V _GS < V _ème ) et devient saturé à l'état ON (V _ème < V _GS ). En effet, lorsque la polarisation de grille appliquée est de − 30 V (état OFF) et qu'elle est éclairée (Fig. 3b), une grande barrière se forme entre le MoS₂ canal et les électrodes source/drain (Au). Ainsi, les électrons nécessaires au maintien de la neutralité du canal, qui a été détruite par les trous piégés, ne sont pas bien injectés dans le canal. Cependant, à mesure que la polarisation de la grille augmente jusqu'à la tension de seuil, la barrière devient plus petite et les électrons peuvent facilement se diffuser dans le MoS₂ canaliser. Par conséquent, le photocourant augmente de façon exponentielle avant la tension de seuil. En revanche, si la polarisation de la grille devient supérieure à la tension de seuil, c'est-à-dire lorsque l'appareil est allumé, la barrière est suffisamment abaissée et le photocourant est saturé (Fig. 3c). Il a également été remarqué que le photocourant augmente à la fois dans les états OFF et ON à mesure que la polarisation du drain augmente. Cela signifie que contrairement aux propriétés de photoréponse du phototransistor conventionnel, qui n'est mesuré qu'à l'état OFF [26, 32], il existe un gain de photoréponse même à l'état ON lorsque la tension de drain augmente.

Photoréponse de MoS₂ phototransistors en fonction du biais appliqué. un Photocourant à divers biais de drain (3, 9, 15, 21 et 27 V) et une intensité lumineuse constante (5 mW/cm ² ) en fonction de la polarisation de la porte. b, c Les diagrammes de bandes d'énergie d'un MoS multicouche₂ phototransistor

Afin de vérifier l'effet du biais de drain sur la photoréactivité du MoS₂ phototransistor dans les états OFF et ON, les caractéristiques de photoréponse ont été mesurées en l'éclairant avec de la lumière et en le fixant à une polarisation de grille de - 30 et 27 V correspondant à l'état OFF et à l'état ON, respectivement. La figure 4a montre le changement de photocourant, et la figure 4b montre la réactivité et la détectivité spécifique en fonction de la polarisation du drain dans l'état OFF. La détectivité spécifique est extraite de l'équation [26, 33] :

où R est la réactivité, A est la zone du MoS₂ canal, q est la charge unitaire, et I _sombre est le courant d'obscurité. À l'état OFF, le photocourant et la sensibilité augmentent de façon exponentielle avec une polarisation de drain plus élevée. Par conséquent, le photocourant (réactivité), qui était de 4,28 × 10 ⁻¹⁴ A (0,12 A/W) lorsque la polarisation du drain était de 3 V et l'intensité lumineuse de 10 mW/cm ² , a fortement augmenté à 1,57 × 10 ⁻⁸ A (4,53 A/W) lorsque la polarisation de drain de 27 V a été appliquée. Ces résultats montrent que le photocourant et la réactivité augmentent de façon exponentielle avec l'augmentation du biais de drain. D'autre part, à l'état ON, le photocourant (Fig. 4c) et la réactivité (Fig. 4d) augmentent linéairement et deviennent saturés à mesure que la polarisation du drain augmente. Lorsque l'intensité lumineuse est constante à 5 mW/cm ² et la polarisation du drain a été augmentée de 3 à 27 V, le photocourant (réactivité) a été multiplié par 5, passant de 2,9 × 10 ⁻⁶ A (1677 A/W) à 1,5 × 10 ⁻⁵ A (8667 A/W). De plus, la détectivité a montré la même tendance que la réceptivité. A l'état OFF (Fig. 4b), il est passé de 1,76 × 10 ⁸ Jones à 2,87 × 10 ⁸ Jones lorsque le biais de drain a été augmenté de 3 à 27 V sous une intensité lumineuse de 10 mW/cm ² . A l'état ON (Fig. 4d), il est passé de 6,14 × 10 ⁹ Jones à 8,63 × 10 ⁹ Jones lorsque le biais de drain a été augmenté de 3 à 27 V sous une intensité lumineuse de 5 mW/cm ² . Par conséquent, étant donné que le courant de diffusion est dominant dans l'état OFF, la sensibilité augmente de façon exponentielle à mesure que la polarisation du drain augmente. Par contre, le courant de dérive est dominant à l'état ON; par conséquent, la réactivité augmente linéairement à mesure que le biais de drain augmente.

Caractéristiques de la photoréponse mesurées à quatre irradiances différentes (5, 7, 8 et 10 mW/cm ² ) lorsque le biais de drain est augmenté. un Photocourant, b réactivité, et détectivité spécifique à l'état OFF. Encarts dans a et b sont tracés avec l'échelle logarithmique du photocourant et de la réactivité, respectivement. c Photocourant, d réactivité, et détectivité spécifique à l'état ON

Les caractéristiques observées dépendantes du biais de drain du MoS multicouche₂ phototransistor peut être expliqué par le diagramme schématique des bandes d'énergie illustré à la Fig. 5. Lorsque le multicouche MoS₂ canal est éclairé, les paires électron-trou sont photogénérées dans le canal. Les trous photogénérés sont piégés dans le MoS₂ canal, rompant ainsi la neutralité du canal. Ensuite, le canal chargé positivement attire plus d'électrons de la source pour maintenir la neutralité, et la quantité d'électrons fournis par la source détermine le gain de photoréponse. Lorsque le biais de porte appliqué est inférieur au seuil, il existe une grande barrière entre le MoS₂ canal et la source comme le montre la figure 5a et le courant de drain est limité par la diffusion sur la barrière. À mesure que le biais de drain appliqué augmente (Fig. 5b), la barrière est abaissée en raison de la flexion du MoS₂ canal, facilitant ainsi l'apport d'électrons pour la neutralité du canal. Par conséquent, comme le montre la figure 4b, la photoréactivité s'améliore de façon exponentielle pour le biais de drain. Lorsque le biais de porte appliqué est supérieur au seuil, la barrière entre MoS₂ et la source est suffisamment faible (Fig. 5c), le courant de drain est limité par la dérive du porteur dans le canal. Par conséquent, la vitesse de dérive du porteur est un facteur majeur dans la variation de la photoréactivité. Dans ce régime, à mesure que le biais de drain appliqué augmente (Fig. 5d), la vitesse du porteur et la photoréactivité augmentent linéairement et saturent à un certain biais de drain (~ 10 V) comme le montre la Fig. 4d.

Diagramme de bande d'énergie de MoS multicouche₂ phototransistor sous éclairage à une polarisation à faible drain dans le OFF (V _GS < V _ème ) état (a ) et une polarisation de drain élevé à l'état OFF (b ). Un biais de faible drain dans le ON (V _GS> V _ème ) état (c ) et un biais de drain élevé à l'état ON (d )

Conclusions

Nous avons fabriqué un MoS multicouche₂ basé sur un phototransistor et étudié en détail sa photoréactivité contrôlée par le biais (drain ou grille). L'évolution de la photoréactivité en fonction de la polarisation peut être classée en deux cas :lorsque la polarisation de grille est inférieure à la tension de seuil (état OFF) et lorsque la polarisation de grille est supérieure à la tension de seuil (état ON). Lorsque la polarisation de la grille est inférieure à la tension de seuil, une petite quantité d'électrons est diffusée dans le canal, en raison de la grande barrière entre MoS₂ et l'électrode source. Au fur et à mesure que les polarisations de grille ou de drain augmentent, la hauteur de la barrière diminue et le nombre d'électrons injectés dans le canal pour la neutralité augmente. En conséquence, la photoréactivité augmente de façon exponentielle. D'autre part, lorsque la polarisation de la grille est supérieure à la tension de seuil, la photoréactivité est affectée par la vitesse du porteur plutôt que par la hauteur de la barrière car le courant est limité par la vitesse de dérive du porteur. Au fur et à mesure que la polarisation du drain augmente, la vitesse du porteur augmente linéairement et devient saturée. Par conséquent, la photoréactivité augmente linéairement et devient saturée. Nous avons pu comprendre les variations de réactivité dans le MoS multicouche₂ -à base de phototransistors selon la polarisation de grille ou de drain. Ainsi, le gain peut être contrôlé pour augmenter la plage d'application du MoS₂ phototransistor et de fonctionner de manière optimale, en fonction de la destination et de l'environnement.