Homojonction plane WSe2 par gating d'interface : un photodétecteur haute performance

Résumé

Les dichalcogénures de métaux de transition 2D (TMDCs) suscitent un vif intérêt pour la nanoélectronique et la nano-optoélectronique en raison de leurs propriétés uniques. Le WSe₂, en particulier, avec son transport bipolaire de porteurs et son bande interdite significative, est un candidat prometteur pour les photodétecteurs futurs. Nous rapportons ici une homojonction plane WSe₂ formée par le gate d'interface du substrat. Dans cette architecture, un feuillet isolant de h-BN est utilisé pour que seule une partie du feuillet WSe₂ soit en contact direct avec le substrat. Les structures WSe₂/substrat et WSe₂/h-BN/substrat construisent ainsi une homojonction plane. Fait intéressant, le dispositif fonctionne à la fois en mode photovoltaïque et photoconductif selon les biais appliqués. On obtient ainsi une responsivité de 1,07 A/W avec une détectivité supérieure à 10¹² jones et un temps de réponse rapide de 106 μs simultanément. Comparé aux méthodes précédentes basées sur le dopage chimique ou le gating électrostatique avec tensions de biais supplémentaires, notre conception offre une voie plus simple et efficace pour le développement de photodétecteurs WSe₂ haute performance.

Introduction

Cette dernière décennie, les TMDCs 2D ont attiré une grande attention grâce à leurs propriétés particulières : mobilité plane élevée, bande interdite ajustable, flexibilité mécanique, forte interaction lumière-matière et facilité de traitement, les rendant très compétitifs pour les futurs dispositifs nano-optoélectroniques. Le diséléniure de tungstène (WSe₂), semi-conducteur bipolaire à manipulation aisée du type de porteurs, permet des applications remarquables dans les photodétecteurs à jonction. Les principales stratégies pour construire une jonction uniquement dans le WSe₂ incluent le dopage chimique et le gating électrostatique. Par exemple, une jonction p-n intramoléculaire WSe₂ a été rapportée, la région n et p étant formées par dopage chimique à la polyéthylèneimine et contrôle par gate arrière respectivement, atteignant une responsivité de 80 mA/W et un temps de réponse de 200 μs. D'autres travaux ont utilisé le bromure de cétyltriméthylammonium ou le gating électrostatique latéral avec deux biais de gate de polarité opposée. Cependant, ces méthodes complexifient la fabrication et l'application des dispositifs à jonction en raison d'impuretés chimiques inévitables et de multiples réglages de biais nécessaires. L'assemblage de matériaux 2D pour construire des hétérostructures de van der Waals verticales comme la jonction WSe₂/MoS₂ est devenu populaire, mais le transport de porteurs entre matériaux différents souffre de défauts d'interface limitant la vitesse de réponse. Pour les jonctions Schottky métal/2D, la hauteur de barrière est généralement déterminée par le pincement du niveau de Fermi, incontrôlable et impactant fortement la responsivité. De plus, les travaux rapportés ne semblent pas combiner à la fois haute responsivité et vitesse de réponse rapide.

Nous démontrons ici une voie simple et plus efficace pour réaliser une homojonction WSe₂ plane. Dans l'architecture, une partie du canal WSe₂ repose sur le substrat Si/SiO₂ et l'autre sur un feuillet h-BN. Ce schéma est courant dans les mémoires à gate flottant/semi-flottant où le h-BN sert de diélectrique de gate. Les charges stockées d'un côté du h-BN peuvent réguler la conductivité du matériau de l'autre côté. Dans notre travail, cependant, le feuillet h-BN comme isolant parfait élimine l'effet de gating d'interface sur le canal WSe₂. La polarité du WSe₂, partie seulement sur le substrat Si/SiO₂, peut être modulée par le gate d'interface. En conséquence, les dispositifs fonctionnent bien en mode photovoltaïque (PV) à biais nul, tout en exhibant des caractéristiques photoconductives (PC) à haut biais. Une responsivité de 1,07 A/W avec une détectivité supérieure à 10¹² jones et un temps de réponse rapide de 106 μs sont obtenus simultanément, sans conception complexe de dispositif ni risque d'introduction d'impuretés chimiques additionnelles.

Résultats et Discussion

La figure 1a montre le schéma de l'homojonction WSe₂ plane. Une partie du feuillet WSe₂ est placée sur le h-BN (WSe₂-h) et l'autre contacte directement le substrat Si/SiO₂ (WSe₂-S). Le h-BN isole le gate d'interface (IG) du substrat sur le WSe₂-h. La formation de l'homojonction entre WSe₂-h et WSe₂-S repose donc sur l'IG modulant la polarité du WSe₂-S. L'IG est produit par les charges piégées à la surface du SiO₂. La figure 1b présente l'image optique du dispositif avec quatre électrodes (E1-E4, Ti/Au) préparées par lithographie à faisceau d'électrons, métallisation et lift-off. L'épaisseur des matériaux est caractérisée par microscopie à force atomique (AFM) (fig. 1c). La hauteur du WSe₂ (h-BN) en contact direct avec le substrat est mesurée à 65 (23) nm (fig. 1d, e). On observe une pente au lieu d'un marche nette dans le profil de hauteur, possiblement due au photorésidu aux bords. La figure 1f montre les spectres Raman du WSe₂ et du h-BN. Pour le WSe₂, les modes Raman E_2g et A_1g du premier ordre sont clairement distingués vers 250 cm⁻¹, suggérant une morphologie multicouche. Pour le h-BN, le pic Raman du mode E_2g à ~1370 cm⁻¹ est observé, avec un signal plus faible en raison de sa grande bande interdite.

Pour explorer l'effet du substrat sur le WSe₂, les caractéristiques de transfert du WSe₂-S et WSe₂-h ont été étudiées séparément. La figure 2a montre que les deux courbes présentent un comportement bipolaire avec une hystérésis évidente pour le WSe₂-S (noir) comparé au WSe₂-h (rouge). Le courant du WSe₂-h est plus élevé, sa pente raide indiquant une transconductance relativement grande, proportionnelle à la mobilité des porteurs. Pour le WSe₂-S, l'hystérésis est attribuée au piégeage de charges à la surface du SiO₂. Lorsque V_g est balayé de −30 à 0 V, le V_g négatif peuple le WSe₂ de trous et en entraîne certains dans le SiO₂ (fig. 2b). Les trous piégés génèrent un gate local positif (IG) modulant la conductance du WSe₂ en retour (faible effet de déplétion). Le point de neutralité de charge de V_g apparaît vers −5 V. De même, quand V_g est balayé de 30 à 0 V, le V_g positif peuple le WSe₂ d'électrons et en piège certains dans le SiO₂ (fig. 2c), générant un IG négatif. Le point de neutralité apparaît vers 5 V. Pour le WSe₂-h, le h-BN inhibe le transfert de porteurs entre WSe₂ et SiO₂ sous modulation de V_g, expliquant l'absence d'hystérésis marquée. Une homojonction plane peut ainsi être formée simplement en exploitant l'IG.

La figure 3a montre les courbes I_d-V_d du dispositif dans l'obscurité et sous illumination à V_g = 0 V. La tension source-drain est appliquée sur les électrodes E2 et E3. Les courts-circuits (à V_d = 0 V) augmentent avec la puissance incidente, indiquant un effet PV. Fait intéressant, les courbes présentent aussi des caractéristiques PC à V_d = ±1 V. Pour le premier cas, les photocourants sont attribués à l'homojonction. Comme le montre la figure 3b, bien que V_d et V_g soient à 0 V, quelques trous déjà piégés dans le SiO₂ forment un petit IG positif modulant le WSe₂-S. Le WSe₂-S de type n⁻ et le WSe₂-h intrinsèque (sans effet IG grâce à l'isolation par h-BN) constituent une homojonction plane. Sous illumination, les paires électron-trou photoexcitées sont séparées par le champ interne de l'homojonction. Bien que les courbes I_d-V_d présentent bien une caractéristique PV à biais nul, l'homojonction ne montre pas de comportement redresseur, peut-être en raison d'un champ interne relativement faible comparé au V_d appliqué extérieurement. Pour le second cas, tout le feuillet WSe₂ comme photoconducteur répond au signal lumineux à haut biais. Les porteurs photoexcités sont entraînés vers les électrodes par V_d. La photoréponse est donc le résultat d'un effet synergique des modes PV et PC. Les responsivités en fonction de la puissance lumineuse pour différents V_d sont résumées figure 3c (R = I_ph/PA). La surface photosensible effective (partie WSe₂ entre E2 et E3) est de 115,75 μm². On obtient des responsivités de 1,07 A/W et 2,96 A/W pour V_d de 0 V et 1 V respectivement. La détectivité spécifique (D*), paramètre clé pour la détection de signaux lumineux faibles, atteint 3,3 × 10¹² jones et 1,78 × 10¹¹ jones pour V_d de 0 V et 1 V, bénéficiant du courant d'obscurité extrêmement faible. Le temps de réponse, autre indicateur clé, a été étudié. La figure 3d montre un état de courant haut et bas obtenu à V_d = 0 V avec modulation lumineuse, exhibant des caractéristiques hautement stables et reproductibles. La figure 3e donne un cycle de modulation unique. Le temps de montée (t_r), temps pour que le courant passe de 10% à 90% de I_peak, est ~106 μs, et le temps de descente (t_f) ~91 μs. La figure S1 montre la réponse temporelle à V_d = 1 V avec t_r ~105 μs et t_f ~101 μs. Le tableau 1 résume les homojonctions WSe₂ rapportées par différentes méthodes. Notre dispositif présente une D* élevée, une R comparable et une vitesse de réponse relativement rapide. De plus, la figure S2 présente les caractéristiques de photoréponse de trois autres dispositifs. Des courants PV et PC distincts sont observés à biais nul et haut biais respectivement. La détectivité de toutes les homojonctions WSe₂ dépasse 10¹² jones et le temps de réponse est légèrement supérieur à 100 μs, prouvant la reproductibilité de la haute performance.

Les figures 4a et b présentent les caractéristiques I_d-V_d du WSe₂-h et WSe₂-S séparément. Les deux courbes exhibent une propriété PC, sans photocourant à biais nul. En fait, Ti/WSe₂/Ti devrait former une structure métal/semi-conducteur/métal avec deux jonctions Schottky de champ interne opposé. Les courbes I_d-V_d devraient donc passer par l'origine et montrer un comportement PC. Dans notre cas, en raison des fonctions de travail différentes du WSe₂-h et WSe₂-S, il y a deux contacts Schottky asymétriques : E2/WSe₂-S et E3/WSe₂-h (fig. 4c). À biais nul, la direction des photocourants nets issus des jonctions Schottky est opposée à celle de l'homojonction, et le résultat expérimental de la figure 3a est cohérent avec ce dernier. L'homojonction formée entre WSe₂-h et WSe₂-S est donc la cause des photocourants de court-circuit.

Pour démontrer davantage que la photoréponse à biais nul est due à l'homojonction, les propriétés de sortie ont été étudiées en mesurant les courbes I_d-V_d avec la tension source-drain appliquée sur E1 et E4. La figure S3a montre des courbes similaires à la figure 3a, exhibant aussi des caractéristiques PV et PC. Les responsivités (détectivités) de 0,51 A/W (2,21 × 10¹² jones) et 3,55 A/W (5,54 × 10¹² jones) sont obtenues pour V_d de 0 V et 1 V, avec une surface effective de 519,4 μm². Le temps de réponse à biais nul (figures S3c, d) montre un temps de montée de 289 μs et descente de 281 μs. À V_d = 1 V (figures S3e, f), les temps sont de 278 μs et 250 μs. La vitesse est légèrement plus lente qu'entre E2 et E3, car le canal conducteur plus long augmente la distance de transmission des photoporteurs et la probabilité d'interaction avec les défauts.

Conclusion

En résumé, nous avons démontré une homojonction WSe₂ plane en accordant électriquement une partie du feuillet WSe₂ par gate d'interface. Comparé aux approches existantes comme le dopage chimique et le gating électrostatique à deux biais, cette conception offre une voie plus simple pour réaliser l'homojonction WSe₂. Sous illumination, le dispositif produit des photocourants de court-circuit distincts avec une détectivité de 3,3 × 10¹² jones. À haut biais, il présente une caractéristique photoconductive avec une détectivité de 1,78 × 10¹¹ jones. Un temps de réponse aussi rapide que 106 μs est obtenu simultanément. Notre étude fournit une voie efficace et fiable pour le développement de photodétecteurs WSe₂ haute performance.

Méthodes

Le WSe₂ et le h-BN en vrac ont été achetés auprès de Shanghai Onway Technology Co., Ltd. D'abord, les feuillets h-BN et WSe₂ ont été exfoliés mécaniquement sur un substrat p⁺-Si/SiO₂ (300 nm) et une couche de poly-diméthylsiloxane (PDMS) respectivement. Ensuite, un micromanipulateur a placé le feuillet WSe₂ adhérant au PDMS sur le feuillet h-BN cible au microscope. Une partie du WSe₂ chevauche le h-BN. Finalement, le WSe₂ a été libéré du PDMS par chauffage du substrat. Les électrodes (Ti/Au) ont été préparées par lithographie à faisceau d'électrons, métallisation et lift-off. Les mesures de photoréponse ont été effectuées avec un analyseur de paramètres semi-conducteurs Agilent B1500 et une diode laser à 637 nm.