Contrôle de la photoresponsivité dans les phototransistors multicouches MoS₂ par polarisation appliquée

Résumé

Nous avons étudié la variation de la photoresponsivité dans des phototransistors à MoS₂ multicouches en fonction de la polarisation appliquée. Le gain de photoréponse est obtenu lorsque les trous photogénérés piégés dans le MoS₂ attirent des électrons depuis la source. Ainsi, la photoresponsivité peut être contrôlée par la polarisation de grille ou de drain. Lorsque la polarisation de grille est inférieure à la tension de seuil, une petite quantité d'électrons diffuse dans le canal, en raison de la grande barrière entre le MoS₂ et l'électrode source. Dans ce régime, à mesure que la polarisation de grille ou de drain augmente, la barrière entre le canal MoS₂ et la source s'abaisse et le nombre d'électrons injectés dans le canal augmente exponentiellement, entraînant une augmentation exponentielle de la photoresponsivité. En revanche, si la polarisation de grille dépasse la tension de seuil, la photoresponsivité est affectée par la vitesse des porteurs plutôt que par la hauteur de la barrière, car le courant de drain est limité par la vitesse de dérive des porteurs. Ainsi, avec l'augmentation de la polarisation de drain, la vitesse des porteurs augmente linéairement et se sature en raison de la saturation de la vitesse des porteurs, et par conséquent, la photoresponsivité augmente également linéairement et se sature.

Contexte

Récemment, les matériaux dichalcogénures de métaux de transition (TMD) incluant le disulfure de molybdène (MoS₂) et le diséléniure de tungstène (WSe₂) ont suscité un intérêt considérable comme matériaux de canal pour les dispositifs nanoélectroniques de prochaine génération. En particulier, les transistors à couche mince utilisant du MoS₂ présentent des caractéristiques électriques intéressantes telles qu'une mobilité électronique élevée (~ 200 cm² V⁻¹ s⁻¹), un rapport courant ON/OFF élevé (~ 10⁸) et un facteur de sous-seuil bas (~ 70 mV dec⁻¹) dans un transistor monocouche de MoS₂. De plus, le MoS₂ attire l'attention comme couche absorbante dans les dispositifs optoélectroniques en raison de son énergie de bande interdite (le MoS₂ monocouche a une bande interdite directe de 1,8 eV et le MoS₂ massique une bande interdite indirecte de 1,2 eV) et de son grand coefficient d'absorption (α = 1–1,5 × 10⁶ cm⁻¹ pour monocouche et 0,1–0,6 × 10⁶ cm⁻¹ pour le massif). Ainsi, les phototransistors à MoS₂ ont un courant d'obscurité faible dans l'état OFF et une photoresponsivité élevée. Les performances des phototransistors MoS₂ ont été améliorées en introduisant une couche additionnelle telle que le graphène, les points quantiques, les colorants organiques, le WS₂, le ZnO, le MoS₂ de type p ou en changeant le diélectrique de grille. De nombreuses études ont ainsi activement cherché à améliorer la photoresponsivité par des procédés de fabrication additionnels ; cependant, il manque des recherches sur le contrôle du gain et la compréhension spécifique des phototransistors MoS₂. Lorsque le contrôle du gain est permis, une large gamme d'intensités lumineuses peut être détectée de manière fiable, et le gain peut être augmenté sans aucun procédé de fabrication additionnel. Dans ce contexte, nous avons investigué la photoresponsivité contrôlée par polarisation (drain ou grille) dans des phototransistors MoS₂ multicouches.

Méthodes

La figure 1a montre le schéma du phototransistor MoS₂ multicouche fabriqué. Nous avons fait croître 250 nm de SiO₂ sur un substrat silicium fortement dopé n. Les feuillets multicouches de MoS₂ ont été exfoliés mécaniquement depuis du MoS₂ massif (Graphene Supermarket, USA) et transférés sur un substrat SiO₂/Si par la méthode conventionnelle au ruban adhésif. Les électrodes source et drain ont été patterning par photolithographie et du Ti/Au (5/80 nm) a été déposé par évaporation faisceau d'électrons. La figure 1b montre l'image MEB (Microscopie à Force Atomique) du phototransistor fabriqué. La longueur et la largeur du canal sont de 7,31 et 4,74 µm respectivement, et l'encart montre l'épaisseur du MoS₂ multicouche d'environ 49 nm, correspondant à environ 75 couches, en supposant une épaisseur monocouche de 0,65 nm.

Résultats et Discussion

La figure 1c montre les caractéristiques de transfert du phototransistor MoS₂ multicouche avec des polarisations de drain de 3, 9, 15, 21 et 27 V dans le noir. Les caractéristiques courant-tension du phototransistor MoS₂ multicouche fabriqué ont été mesurées à l'aide d'un source-mètre bi-canal (Keithley 2614B) à température ambiante et sous atmosphère N₂. Le rapport ON/OFF est d'environ 10⁵. La mobilité d'effet de champ a été estimée à 18,6 cm²/V·s pour une polarisation de drain de 3 V à partir de l'équation suivante :

$$ {\mu}_{\mathrm{eff}}=\left({g}_m\cdot L\ \right)/\left(\ {C}_{\mathrm{OX}}\cdot W\cdot {V}_{\mathrm{DS}}\right) $$ (1)

où L est la longueur du canal, W la largeur du canal, et la capacitance d'oxyde C_OX est de 1,38 × 10⁻⁸ F/cm². Il a été clairement observé que lorsque la polarisation de drain augmente, la tension de seuil diminue et le facteur de sous-seuil augmente. Cela indique que la tension de seuil et le facteur de sous-seuil sont affectés par la polarisation de drain. En général, la tension de seuil est estimée par l'équation :

$$ {V}_{\mathrm{th}}={V}_{\mathrm{GS}}(0)-{V}_{\mathrm{DS}}/2 $$ (2)

où V_GS(0) est l'interception entre la ligne de tendance dans la partie linéaire de la courbe de transfert et l'axe des x. Cependant, l'Éq. (2) suppose une faible polarisation de drain telle que les effets de saturation de vitesse sont négligeables (V_DS〈〈L ⋅ ν_sat/μ_eff = 10 V, où ν_sat est la vitesse de saturation et μ_eff la mobilité d'effet de champ) ; il est donc difficile d'extraire la tension de seuil exacte pour une forte polarisation de drain. Pour cette raison, nous n'avons extrait que la variation du facteur de sous-seuil et confirmé l'effet de la polarisation de drain sur le canal. La figure 1d montre la variation du facteur de sous-seuil extraite de la pente de la partie linéaire du graphe log(I_D) − (V_GS) pour différentes polarisations de drain. Le facteur de sous-seuil augmente de 1,44 V/décade à 3,14 V/décade lorsque la polarisation de drain augmente de 3 à 27 V. Cela implique qu'une forte polarisation de drain abaisse la barrière entre le canal MoS₂ et l'électrode source en Au, affaiblissant ainsi la contrôlabilité du canal par la polarisation de grille.

Pour investiguer la responsivité du phototransistor MoS₂, nous avons mesuré les caractéristiques de transfert à diverses densités de puissance d'illumination en utilisant un laser DPSS (diode-pumped solid-state) de longueur d'onde 466 nm. La figure 2a montre les caractéristiques de transfert sous obscurité et sous trois intensités lumineuses différentes (5, 7 et 10 mW/cm²), à une tension de drain de 3 V. À mesure que l'intensité lumineuse augmente, la courbe de transfert se décale vers la gauche, ce qui montre que les trous photogénérés sont piégés dans le canal MoS₂ et agissent comme une polarisation de grille positive. La figure 2b montre la variation du photocourant et de la responsivité lorsque l'intensité lumineuse et la polarisation de drain augmentent à une polarisation de grille constante de −30 V. Le photocourant est obtenu par la différence entre le courant de drain sous illumination et dans le noir (I_ph = I_illuminé − I_sombre), et la responsivité est définie par I_ph/P_light, où I_ph est le photocourant et P_light la puissance optique illuminant le canal MoS₂. À mesure que la polarisation de drain et l'intensité lumineuse augmentent, le photocourant et la responsivité augmentent. En considérant un laser de 466 nm, la responsivité correspondant à 100 % d'efficacité quantique externe (EQE) est de 0,375 A/W, et la responsivité mesurée dépasse cette valeur lorsque la polarisation de drain est de 15 V et l'intensité lumineuse de 8 mW/cm². Cela signifie qu'il y a un gain de photoréponse dans ce phototransistor MoS₂ multicouche et qu'il est affecté par la polarisation de drain.

Afin d'observer le changement de photoresponsivité selon la tension de grille, nous avons mesuré le photocourant en augmentant la tension de drain de 3 à 27 V sous une illumination de 5 mW/cm² (Fig. 3a). À mesure que la polarisation de grille appliquée augmente, le photocourant augmente exponentiellement dans l'état OFF (V_GS < V_th) et se sature dans l'état ON (V_th < V_GS). Cela s'explique parce que, lorsque la polarisation de grille appliquée est de −30 V (état OFF) et qu'il y a illumination (Fig. 3b), une grande barrière se forme entre le canal MoS₂ et les électrodes source/drain (Au). Ainsi, les électrons nécessaires pour maintenir la neutralité du canal, détruite par les trous piégés, ne sont pas bien injectés dans le canal. Cependant, à mesure que la polarisation de grille augmente jusqu'à la tension de seuil, la barrière devient plus petite et les électrons peuvent facilement diffuser dans le canal MoS₂. Par conséquent, le photocourant augmente exponentiellement avant la tension de seuil. D'autre part, si la polarisation de grille devient plus grande que la tension de seuil, c'est-à-dire quand le dispositif est allumé, la barrière est suffisamment abaissée et le photocourant se sature (Fig. 3c). Il a également été remarqué que le photocourant augmente dans les états OFF et ON à mesure que la polarisation de drain augmente. Cela signifie que contrairement aux propriétés de photoréponse des phototransistors conventionnels, qui sont mesurées seulement dans l'état OFF, il y a un gain de photoréponse même dans l'état ON à mesure que la tension de drain augmente.

Afin de vérifier l'effet de la polarisation de drain sur la photoresponsivité du phototransistor MoS₂ dans les états OFF et ON, les caractéristiques de photoréponse ont été mesurées en l'illuminant et en fixant la polarisation de grille à −30 et 27 V correspondant respectivement aux états OFF et ON. La figure 4a montre la variation du photocourant, et la Fig. 4b la responsivité et la détectivité spécifique selon la polarisation de drain dans l'état OFF. La détectivité spécifique est extraite de l'équation :

$$ {D}^{\ast }=R\cdot {A}^{1/2}/{\left(2\cdot q\cdot {I}_{\mathrm{dark}}\right)}^{1/2} $$ (3)

où R est la responsivité, A la surface du canal MoS₂, q la charge élémentaire, et I_dark le courant d'obscurité. Dans l'état OFF, le photocourant et la responsivité augmentent exponentiellement avec une polarisation de drain plus élevée. Par conséquent, le photocourant (responsivité), qui était de 4,28 × 10⁻¹⁴ A (0,12 A/W) lorsque la polarisation de drain était de 3 V et l'intensité lumineuse de 10 mW/cm², a augmenté brusquement à 1,57 × 10⁻⁸ A (4,53 A/W) lorsque 27 V de polarisation de drain étaient appliqués. Ces résultats montrent que le photocourant et la responsivité augmentent exponentiellement avec l'augmentation de la polarisation de drain. En revanche, dans l'état ON, le photocourant (Fig. 4c) et la responsivité (Fig. 4d) augmentent linéairement et se saturent à mesure que la polarisation de drain augmente. Lorsque l'intensité lumineuse est constante à 5 mW/cm² et que la polarisation de drain est augmentée de 3 à 27 V, le photocourant (responsivité) augmente 5 fois, passant de 2,9 × 10⁻⁶ A (1677 A/W) à 1,5 × 10⁻⁵ A (8667 A/W). De plus, la détectivité montre la même tendance que la responsivité. Dans l'état OFF (Fig. 4b), elle augmente de 1,76 × 10⁸ Jones à 2,87 × 10⁸ Jones lorsque la polarisation de drain augmente de 3 à 27 V sous une intensité lumineuse de 10 mW/cm². Dans l'état ON (Fig. 4d), elle augmente de 6,14 × 10⁹ Jones à 8,63 × 10⁹ Jones lorsque la polarisation de drain augmente de 3 à 27 V sous une intensité lumineuse de 5 mW/cm². Par conséquent, puisque le courant de diffusion est dominant dans l'état OFF, la responsivité augmente exponentiellement à mesure que la polarisation de drain augmente. D'autre part, le courant de dérive est dominant dans l'état ON ; par conséquent, la responsivité augmente linéairement à mesure que la polarisation de drain augmente.

Les caractéristiques de polarisation de drain observées du phototransistor MoS₂ multicouche peuvent être expliquées par le diagramme de bandes énergétiques schématique montré en Fig. 5. Lorsque le canal MoS₂ multicouche est illuminé, des paires électron-trou sont photogénérées dans le canal. Les trous photogénérés sont piégés dans le canal MoS₂, brisant ainsi la neutralité du canal. Alors, le canal chargé positivement attire plus d'électrons depuis la source pour maintenir la neutralité, et la quantité d'électrons fournis depuis la source détermine le gain de photoréponse. Lorsque la polarisation de grille appliquée est inférieure au seuil, il y a une grande barrière entre le canal MoS₂ et la source comme montré en Fig. 5a et le courant de drain est limité par la diffusion au-dessus de la barrière. À mesure que la polarisation de drain appliquée augmente (Fig. 5b), la barrière s'abaisse en raison de la courbure du canal MoS₂, facilitant ainsi l'apport d'électrons pour la neutralité du canal. Par conséquent, comme montré en Fig. 4b, la photoresponsivité s'améliore exponentiellement pour la polarisation de drain. Lorsque la polarisation de grille appliquée est au-dessus du seuil, la barrière entre MoS₂ et la source est suffisamment basse (Fig. 5c), le courant de drain est limité par la dérive des porteurs dans le canal. Par conséquent, la vitesse de dérive des porteurs est un facteur majeur dans la variation de la photoresponsivité. Dans ce régime, à mesure que la polarisation de drain appliquée augmente (Fig. 5d), la vitesse des porteurs et la photoresponsivité augmentent linéairement et se saturent à une certaine polarisation de drain (~ 10 V) comme montré en Fig. 4d.

Conclusions

Nous avons fabriqué un phototransistor à base de MoS₂ multicouche et investigué en détail sa photoresponsivité contrôlée par polarisation (drain ou grille). Le changement de photoresponsivité selon la polarisation peut être classé en deux cas : lorsque la polarisation de grille est plus petite que la tension de seuil (état OFF) et lorsque la polarisation de grille est plus grande que la tension de seuil (état ON). Lorsque la polarisation de grille est plus petite que la tension de seuil, une petite quantité d'électrons sont diffusés dans le canal, en raison de la grande barrière entre MoS₂ et l'électrode source. 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 photoresponsivité augmente exponentiellement. D'autre part, lorsque la polarisation de grille est plus grande que la tension de seuil, la photoresponsivité est affectée par la vitesse des porteurs plutôt que par la hauteur de la barrière car le courant est limité par la vitesse de dérive des porteurs. À mesure que la polarisation de drain augmente, la vitesse des porteurs augmente linéairement et se sature. Par conséquent, la photoresponsivité augmente linéairement et se sature. Nous avons pu comprendre les variations de responsivité dans les phototransistors à base de MoS₂ multicouche selon la polarisation de grille ou de drain. Ainsi, le gain peut être contrôlé pour augmenter la gamme d'application du phototransistor MoS₂ et pour fonctionner de manière optimale, selon le but et l'environnement.