Les photodétecteurs basés sur les hétérojonctions latérales monocouche MoS2/WS2

Introduction

Compte tenu du marché des puces semi-conductrices de près d'un demi-billion de dollars, les matériaux bidimensionnels (2D) sont actuellement l'un des candidats les plus réalisables et les plus prometteurs pour étendre la loi de Moore [1,2,3,4,5]. En tant que membre représentatif de la famille 2D, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) ont été intensivement étudiés en raison de leurs propriétés optoélectroniques distinctives et de leurs applications potentielles [6,7,8,9,10,11,12] dans les dispositifs de photodétection et d'émission de lumière. [13, 14]. Notamment, la bande interdite réglable, la mobilité élevée des porteurs, l'absorption optique élevée et l'épaisseur atomiquement mince, faisant des TMD des matériaux de canal appropriés pour les photodétecteurs, jouent un rôle crucial dans les dispositifs optoélectroniques ou électroniques [15, 16]. Bien que les défauts cristallins dans les TMD donnant lieu à l'effet de piégeage des porteurs puissent entraîner une photosensibilité élevée, ils peuvent inévitablement conduire à une vitesse de réponse encore lente [17]. De plus, certains chercheurs proposent l'amélioration plasmonique pour augmenter l'utilisation limitée de la lumière des matériaux 2D [18,19,20]. Combinant des supériorités respectives et montrant un transport électronique unique à la jonction, des hétérostructures de TMD soit par couture latérale soit par empilement vertical sont présentées [21]. De telles hétérostructures peuvent adapter les propriétés électroniques intrinsèques et améliorer l'absorption optique [22], montrant des caractéristiques émergentes et concevables [13, 23]. Par exemple, le champ électrique intégré [24] ou la différence de niveau d'énergie [25] induite par les hétérostructures TMD devrait accélérer la séparation des photoporteurs [26], supprimer la recombinaison des photoporteurs [17, 27] et réduire le courant d'obscurité [28] également, ce qui est bénéfique pour obtenir une photodétection haute performance. En outre, le groupe de Wang [29] a certifié une recombinaison électron-trou (e-h) supprimée dans les hétérostructures latérales. Comme indiqué précédemment, les hétérostructures latérales ont montré une mobilité des porteurs plus élevée [30] alors que les hétérostructures verticales ont généralement augmenté la zone photoactive [27] et/ou amélioré l'entraînement du courant par zone [31]. De plus, les interfaces dans le plan des hétérostructures latérales ont montré une intensité d'émission plus forte que les deux côtés [14]. Cependant, l'émission de photoluminescence (PL) supprimée a pu être observée dans l'hétéro-interface verticale en raison de la recombinaison radiative directe réduite [32]. De plus, les hétérostructures TMD latérales et verticales permettent de créer de nouvelles transitions excitoniques [14].

En termes de qualité du réseau cristallin, MoX₂ /WX₂ (X = S, Se ou Te) les hétérojonctions latérales pourraient induire des défauts structurels à peine en raison de leur configuration similaire en nid d'abeille [33, 34] et de leurs paramètres de maille [34]. De plus, ce type d'hétérojonction peut former un alignement de bande de type II en général, ce qui est souhaitable pour une photodétection à haute efficacité [32, 34, 35]. D'après les travaux antérieurs, monocouche latérale MoS₂ /WS₂ l'hétérojonction a préféré présenter un alignement de bande de type II avec le maximum de bande de valence (VBM) localisé à WS₂ et le minimum de bande de conduction (CBM) à MoS₂ [32, 34]. Par exemple, le groupe de Wu a en outre signalé que le VBM et le CBM de MoS₂ sont de 0,39 eV et 0,35 eV inférieurs à ceux de WS₂ , respectivement [34]. De plus, le décalage de bande entre MoS₂ et WS₂ la détermination de l'alignement de la bande pourrait être estimée via leurs différentes positions orbitales d de Mo et W [34]. Les hétérostructures verticales peuvent être préparées par transfert mécanique et empilement, tandis que les hétérostructures latérales ne peuvent être réalisées que par des méthodes de croissance [14]. De plus, les hétérostructures verticales, comme indiqué précédemment, ne peuvent pas être contrôlées avec précision et elles sont facilement contaminées aux interfaces entre les couches [33]. Heureusement, les hétérostructures latérales peuvent être synthétisées par une méthode en une étape pour réduire les contaminations [28]. De nos jours, la croissance d'hétérostructures TMD monocouches latérales de grande surface et de haute qualité est restée un grand défi [36]. Par conséquent, les hétérojonctions TMD latérales de haute qualité et de grande surface sont importantes et souhaitées pour le développement de photodétecteurs haute performance.

Ici, la monocouche latérale MoS₂ /WS₂ des hétérojonctions avec des interfaces nettes et une bonne uniformité via une méthode CVD en phase liquide en une étape sont préparées et des photodétecteurs sont fabriqués sur la base de ces hétérostructures. Les photodétecteurs présentés peuvent offrir une réactivité et une détectivité élevées de 567,6 A/W et 7,17 × 10 ¹¹ Jones, respectivement. Ce travail démontre la monocouche latérale MoS₂ /WS₂ les hétérojonctions peuvent servir de candidats qualifiés pour les applications optoélectroniques de nouvelle génération.

Méthodes

Synthèse d'hétérostructure

0,05 g de tungstate de sodium, 0,5 g de molybdate d'ammonium et 0,12 g de particules de NaOH (ou KOH) ont été dissous dans 10 mL d'eau déminéralisée (DI) pour obtenir une solution de précurseur. Les substrats de croissance (saphir) ont été traités par une solution de piranha pour améliorer l'hydrophilie de la surface, puis la solution de précurseur a été uniformément appliquée par centrifugation sur des substrats de saphir propres. Après cela, le précurseur recouvert de saphir et de soufre a été placé respectivement sur le centre de chauffage et en amont d'un tube de quartz. Le centre de chauffage a été porté à 700 °C en 40 min et maintenu pendant 10 min pour faire croître le MoS₂ -OH bicouches (c'est-à-dire MoS₂ monocouche et une seule couche d'OH ⁻ ions attachés). Enfin, le gaz vecteur a été changé de Ar à Ar/H₂ (5% H₂ ), et le centre de chauffage chauffé à 780 °C en 10 min et maintenu pendant 10 min pour permettre WS₂ se développer le long des bords du MoS₂ –OH bicouches, formant MoS₂ /WS₂ hétérostructures latérales. Les détails de la synthèse de l'hétérostructure se réfèrent aux travaux antérieurs [30].

Processus de transfert

Nous avons utilisé la méthode assistée par polystyrène (PS) pour transférer WS₂ /MoS₂ hétérostructures latérales du saphir au SiO₂ Substrats /Si. La solution de PS (9 g de PS a été dissous dans 100 mL de toluène) est d'abord déposée par centrifugation sur les hétérostructures à 3 500 rpm pendant 60 s, puis l'échantillon est cuit à 90 °C pendant 10 min pour éliminer le toluène. Après cela, le WS₂ /MoS₂ –Le film PS est obtenu par une goutte d'eau, et le WS₂ flottant /MoS₂ –Le film PS est ensuite dragué avec un SiO₂ propre /Si substrat. Le WS₂ /MoS₂ –PS-SiO₂ L'échantillon de /Si est cuit à 80 °C pendant 1 h puis à 150 °C pendant 30 min pour étaler le polymère afin d'éliminer les plis possibles. Enfin, le film PS est retiré en rinçant plusieurs fois au toluène pour obtenir WS₂ /MoS₂ -SiO₂ /Si échantillons.

Fabrication d'appareils

La lithographie par faisceau d'électrons (EBL) standard a été utilisée pour définir les marqueurs et les motifs d'électrodes sur la monocouche latérale MoS₂ telle que cultivée. /WS₂ hétérojonctions. Les électrodes Ti/Au (10 nm/100 nm) ont été évaporées sur le canal et enlevées dans de l'acétone. L'appareil a subi un recuit thermique à 400 °C pendant 2 h sous vide et a été rapidement refroidi à température ambiante.

Caractérisation des matériaux

Les images optiques ont été capturées au microscope OLYMPUS (LV100ND). Les images cartographiques Raman, PL et AFM ont été mesurées avec un spectromètre confocal Raman-AFM (Witec, alpha300 RA) avec un laser de 532 nm.

Caractérisation de l'appareil

Les propriétés optoélectroniques des photodétecteurs ont été mesurées avec la station de sonde SemiProbe et un analyseur de paramètres à semi-conducteurs (Keithley 4200) et Platform Design Automation (PDA, FS-Pro). Différentes longueurs d'onde lasers comme sources lumineuses ont été utilisées pour mesurer la photoréponse des photodétecteurs. Différentes densités laser ont été déterminées avec un irradiatomètre.

Résultats et discussion

La figure 1a montre l'image optique de l'hétérostructure monocouche latérale cultivée par CVD, illustrée par le contraste optique. Les spectres Raman correspondants obtenus à partir des différentes positions marquées 1 et 2 sur la figure 1a confirment la configuration du MoS interne₂ (385,5 cm ⁻¹ et 405,3 cm ⁻¹ ) et extérieur WS₂ (351,5 cm ⁻¹ et 416,5 cm ⁻¹ ) sur la figure 1b [30]. Haute qualité cristalline de MoS₂ et WS₂ sont impliqués car aucun pic d'oxydation n'est observé dans les spectres Raman correspondants [37]. Surtout, les pics propres de MoS₂ et WS₂ les deux ont été observés dans l'interface cousue marquée 3 sur la figure 1a, indiquant que deux matériaux se forment à l'interface. De plus, la différence de fréquence entre le E_2g mode et A_1g mode de MoS₂ est de 19,8 cm ⁻¹ , suggérant une monocouche [30, 38, 39]. Lorsque vous envisagez WS₂ , le rapport d'intensité de crête du mode acoustique longitudinal (2LA) [40] à 352 cm ⁻¹ à A_1g mode, c'est-à-dire I_2LA /I_A1g , est plus précis pour vérifier l'épaisseur que la différence de fréquence [14]. Le rapport a été estimé à ~ 2, en accord avec la monocouche WS₂ mesuré par laser à 532 nm [14]. Le décalage vers le rouge distinct de E_2g mode (vibration dans le plan) peut être observé, résultant de l'effet d'alliage [41] dans les hétérojonctions latérales. Notamment, ce comportement similaire a également été observé dans les hétérojonctions verticales, causées par l'écran diélectrique et le couplage intercouche [42]. De plus, le résultat de la cartographie Raman sur la figure 1c avec la région bleue de MoS₂ et la région rouge de WS₂ indique l'hétérostructure sans couture de haute qualité dans le plan [13, 43]. Figure 1d, e montre également la configuration avec MoS₂ à l'intérieur et WS₂ à l'extérieur par mappage PL, respectivement [13]. Plusieurs points montrant des intensités PL améliorées dans WS₂ région peut être expliquée comme une inhomogénéité des porteurs causée par des impuretés ou des lacunes [14]. De plus, les émissions PL plus fortes à l'interface que le MoS₂ région pourrait être interprétée comme la distribution inhomogène des porteurs ou un taux de recombinaison des porteurs photo-induit plus élevé sur les bords [14]. La cartographie Raman et PL suggèrent une interface nette et bien cousue entre MoS₂ et WS₂ [14, 44]. L'épaisseur et la morphologie de la surface ont été mesurées au microscope à force atomique (AFM) avec mode de piégeage. Notez que peu de joints de grains entraînant une diffusion des porteurs de charge [45] sont observés dans le matériau à l'intérieur, mais des bords indiquant de meilleures performances de transport électrique, comme le montre la figure 1f [14, 46]. L'épaisseur de WS₂ l'extérieur est ~ 0,7 nm (en bas) cohérent avec le WS₂ cultivé par CVD monocouche rapportée précédemment [47], et la différence de hauteur entre WS₂ et MoS₂ est d'environ 0,25 nm (en haut), ce qui implique une monocouche MoS₂ [47]. Dans l'ensemble, les résultats de caractérisation des matériaux ci-dessus peuvent démontrer la monocouche latérale MoS₂ /WS₂ hétérojonction avec l'interface sharp.

Résultats de la caractérisation des matériaux de la monocouche latérale MoS₂ telle que cultivée /WS₂ hétérostructure. (a) L'image optique de la monocouche latérale MoS₂ /WS₂ hétérojonction. (b) Le spectre Raman obtenu à partir du site marqué par 1, 2 et 3 in (a ), respectivement. L'image cartographique Raman (c ), des images de mappage PL de MoS₂ région (d ) et WS₂ région (e ) à partir de la zone encadrée en rouge dans (a ). La barre de fausse couleur correspondante est insérée en bas de (c )–(e ). (f ) Le profil de hauteur en coupe transversale correspondant du bleu (entre WS₂ et MoS₂ ) et blanc (entre WS₂ et substrat) lignes marquées dans l'image de morphologie AFM

Les photodétecteurs ont été fabriqués à l'aide d'un système EBL basé sur le MoS latéral₂ /WS₂ hétérojonction. La figure 2a présente le schéma (en haut) du dispositif à hétérojonction latérale et l'alignement de bande de type II correspondant (en bas). En conséquence, les électrons et les trous sont transférés et confinés dans MoS₂ et WS₂ région à travers l'interface, respectivement, réalisant la conversion photoélectrique [13, 21, 24, 48]. Nous attribuons cela à l'effet photogating, comme un cas particulier d'effet photoconducteur [49]. L'effet de photogate peut fonctionner comme une conductance de canal de modulation de photogate locale [50]. L'image optique de l'appareil avec une surface effective de l'appareil de ~ 40 m ² est décrit sur la Fig. 2b avec les électrodes E1 et E2 comme électrodes de source et de drain. Afin de comprendre la configuration d'hétérojonction, une cartographie Raman combinée a été réalisée (Fig. 2c), indiquant les matériaux des canaux du MoS latéral₂ /WS₂ hétérojonction entre les électrodes de source et de drain mesurées (E1 et E2) [28]. Les sections bleue, rouge et sombre sont MoS₂ , WS₂ et électrodes métalliques, respectivement. La figure 2d montre les courbes caractéristiques de sortie semi-logarithmiques de l'hétérojonction latérale sous lumière visible à 405 nm, 520 nm et 635 nm, respectivement. L'encart de la Fig. 2d révèle un I-V linéaire relation entre le canal et les électrodes [51,52,53,54,55,56]. Le Je linéaire –V Le caractère est propice à l'obtention d'une réactivité élevée mais d'une faible sensibilité des photodétecteurs en raison d'un courant d'obscurité élevé [57]. De plus, le I _ph (c'est-à-dire Je _lumière – Je _sombre ) du photodétecteur augmente à 12,5 fois celui avant le recuit thermique, ce qui peut être attribué à une diminution de la résistance de contact [46, 58], à l'élimination des défauts [59] et à une amélioration des conductivités électriques [60]. La figure 2e illustre les caractéristiques de photocommutation excitées par les longueurs d'onde ci-dessus. Le courant transitoire augmente rapidement lorsque la lumière est allumée et diminue dès que la lumière est éteinte, ce qui implique que ce photodétecteur peut servir d'interrupteur activé par la lumière rapide [61].

Caractéristiques optoélectroniques du photodétecteur. (a) Le schéma de principe et l'alignement de bande proposé du photodétecteur. L'image optique (b ) et la cartographie Raman combinée correspondante (c ) du photodétecteur. E1 et E2 représentent les électrodes de source et de drain du dispositif mesuré. Le semi-logarithmique (d ) et linéaire (encadré de (d) ) Je –V caractéristiques et les caractéristiques de photocommutation (e ) du photodétecteur

Les caractéristiques de sortie semi-logarithmiques avec la même longueur d'onde mais des densités de puissance laser variées sont représentées sur la figure 3a. Comme prévu, le photocourant est agrandi à mesure que les densités de puissance laser augmentent en raison de plus de porteurs photogénérés induits [62]. La figure 3b montre le I –V courbes avec la même densité de puissance laser mais des longueurs d'onde incidentes différentes (c'est-à-dire une quantité d'absorption de lumière et une énergie d'excitation optique différentes). Bien que la longueur d'onde la plus courte possède moins de photons par rapport à la longueur d'onde plus longue à la même densité de puissance laser. Dans ce cas, le courant transitoire mesuré augmente avec les diminutions de la longueur d'onde d'irradiation. Cela peut être causé par l'absorption optique réduite à la plus grande longueur d'onde [63, 64]. La figure 3c décrit le courant transitoire sous un éclairage laser périodique de 10 s, indiquant une photoréponse stable et reproductible [61]. Pour la plupart des photodétecteurs de faible dimension dominés par l'effet de photogating, une vitesse de réponse limitée et une réactivité élevée peuvent être obtenues en raison de la durée de vie excessive prolongée du support [50, 65]. Le temps de montée/descente est défini comme le temps nécessaire au photocourant pour monter/descendre de 10 %/90 % de la valeur stable à 90 %/10 % [66, 67]. Le temps de montée/descente relativement long devrait être causé par une recombinaison lente des porteurs, provenant de l'illumination laser excitant de nombreux états défectueux [68]. Par conséquent, le temps de réponse comprenant le temps de montée et le temps de descente a été sacrifié par l'effet de photogating en raison des processus de piégeage de charge à longue durée de vie [57]. Certains chercheurs ont proposé que le matériau de canal de haute qualité qui peut offrir un chemin doux et court pour le transfert de porteurs et une structure de dispositif optimale peut améliorer la vitesse de réponse [69, 70]. En effet, les chiffres de mérite des appareils photosensibles sont principalement à responsabilité (R ) et la détectivité (D *). R est calculé par les relations de

Comportement de photoréponse du photodétecteur. Le Je –V caractéristiques sous différentes densités de puissance laser 405 nm (a ) et sous différentes longueurs d'onde incidentes de 5 mW/cm ² (b ). (c) La photoréponse résolue dans le temps est excitée par la commutation marche/arrêt périodique de la lumière incidente. (d) Le R extrait (sphère noire) en fonction des densités de puissance laser. La tension appliquée pour (c –d ) est de 1 V

où P et S sont respectivement la densité de puissance laser et la surface effective du dispositif [62, 71, 72]. La figure 3d montre les valeurs correspondantes de R du photodétecteur sous différentes densités de puissance laser. Le champion R atteint jusqu'à  ~ 567.6 A/W offrant le paramètre de performance compétitif. Le haut R est attribuée à la suppression de la recombinaison des photoporteurs dans l'hétérostructure ainsi qu'au piégeage des électrons dans le MoS₂ région vraisemblablement [22]. Le R diminué à mesure que la densité de puissance laser augmente, l'effet de photogating dans le photodétecteur est révélé plus loin [73].

De plus, le photocourant et la densité de puissance laser suivent l'équation de la loi de puissance :

où A est une constante et 0 < α < 1. La valeur de α , obtenu en ajustant la courbe de I _ph contre P sur la figure 4a, est liée au processus de capture, de recombinaison et de transfert de porteurs [74, 75]. La relation sublinéaire entre I _ph et P suggère la présence de l'effet photogating dans le dispositif [65]. La valeur la plus élevée de (telle que  ~ 0,73) peut être obtenue lorsque les densités de puissance inférieures sont appliquées en raison de la recombinaison réduite des photoporteurs et des interactions entre les porteurs [75, 76]. En revanche, des densités de puissance plus élevées peuvent entraîner une valeur dégradée de ~ 0,55 en raison de pertes de recombinaison plus importantes et de plus d'états de piège [77]. La condition préalable du D calculé * via l'équation

(a) L'intrigue de I _ph par rapport aux densités de puissance laser. (b) Le spectre de puissance actuel (S _Je ) sous différentes fréquences. La tension appliquée pour (a–b ) est de 1 V

est que les photodétecteurs sont limités par le bruit de grenaille comme principale source de bruit [49, 66, 78]. Afin d'évaluer davantage D * plus précisément, le courant de bruit obtenu sur la Fig. 4b est mesuré sous différentes fréquences [74]. La figure 4b montre le bruit 1/f typique [79] dans nos photodétecteurs, ce qui constitue un obstacle important à l'industrie des semi-conducteurs à partir de nouveaux matériaux. Ce type de bruit provient principalement des impuretés chargées et des sites de piégeage dans le canal conducteur [57, 80]. Une qualité de matériau plus élevée et une faible densité de défauts structurels sont souhaitées pour réduire le bruit 1/f [81]. Selon la formule de

où f et Je _bruit sont la bande passante de mesure et le courant de bruit [79], la détectivité du photodétecteur est d'environ 7,17 × 10 ¹¹ Jones. Le tableau 1 a comparé certains photodétecteurs représentatifs sélectionnés avec les performances de photoréponse correspondantes basées sur des matériaux 2D. Le R relativement élevé et D * de nos photodétecteurs présentent un grand potentiel dans les dispositifs optoélectroniques.

Conclusions

En résumé, un photodétecteur haute performance a été développé sur la base de la monocouche latérale MoS₂ /WS₂ hétérojonction. La taille des matériaux de canal développés par la méthode CVD en phase liquide en une étape atteint une échelle millimétrique. De plus, les matériaux de canal de haute qualité avec une bonne uniformité et une interface nette ont été examinés par des caractérisations systématiques des matériaux et des mesures ultérieures de l'appareil. En particulier, une réactivité élevée de 567,6 A/W et une détectivité de  ~ 10 ¹¹ Jones sont obtenus pour les photodétecteurs attribuant à l'effet de photogating. La performance du MoS latéral proposé₂ /WS₂ photodétecteurs à hétérojonction est meilleur ou comparable aux travaux rapportés [24, 62, 76, 78, 86, 97, 98]. De plus, nous supposons que le bruit 1/f indésirable résultant du piégeage/dépiégeage des porteurs de charge peut être encore réduit par un matériau de canal de haute qualité et sans défaut. La croissance CVD en phase liquide facile en une seule étape et les excellentes performances optoélectroniques des photodétecteurs peuvent motiver de nouvelles recherches concernant les dispositifs optoélectroniques basés sur des hétérostructures latérales.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données soutenant les conclusions de cet article sont inclus dans l'article.