Photodétecteurs haute performance utilisant des hétérojonctions latérales monocouche MoS₂/WS₂

Résumé

Les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) monocouches montrent un potentiel prometteur pour l'optoélectronique de prochaine génération grâce à leurs excellentes capacités de capture de lumière et de photodétection. Les photodétecteurs, composants importants des systèmes de détection, d'imagerie et de communication, perçoivent et convertissent les signaux optiques en signaux électriques. Ici, des hétérojonctions latérales monocouches MoS₂/WS₂ de grande surface et haute qualité ont été synthétisées via une approche de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) liquide en une étape. Des caractérisations systématiques ont vérifié la bonne uniformité et les interfaces nettes des matériaux de canal. En résultat, les photodétecteurs améliorés par l'effet photogating délivrent une performance compétitive : responsivité ~567,6 A/W et détectivité ~7,17 × 10¹¹ Jones. De plus, le bruit 1/f obtenu du spectre de puissance du courant n'est pas favorable au développement des photodétecteurs, considéré comme provenant du piégeage/dépiégeage des porteurs de charge. Ce travail peut contribuer à des dispositifs optoélectroniques efficaces basés sur des hétérostructures TMD monocouches latérales.

Introduction

Considérant le marché des puces semi-conductrices d'environ 500 milliards de dollars, les matériaux bidimensionnels (2D) sont actuellement l'un des candidats les plus faisables et prometteurs pour prolonger la loi de Moore. En tant que membre représentatif de la famille 2D, les TMD ont été intensivement étudiés pour leurs propriétés optoélectroniques distinctives et applications potentielles en photodétection et dispositifs émetteurs de lumière. Notamment, le gap de bande ajustable, la haute mobilité des porteurs, l'absorption optique élevée et l'épaisseur atomiquement mince font des TMD des matériaux de canal appropriés pour les photodétecteurs, jouant un rôle crucial dans les dispositifs optoélectroniques ou électroniques. Bien que les défauts cristallins dans les TMD donnant lieu à l'effet de piégeage des porteurs puissent résulter en haute photosensibilité, ils mènent inévitablement à une vitesse de réponse lente. De plus, certains chercheurs proposent l'amélioration plasmonique pour booster l'utilisation limitée de la lumière des matériaux 2D. En combinant les supériorités respectives et montrant un transport électronique unique à la jonction, les hétérostructures TMD, soit par couture latérale soit par empilement vertical, sont présentées. De telles hétérostructures peuvent adapter les propriétés électroniques intrinsèques et améliorer l'absorption optique, montrant des caractéristiques émergentes et designables. Par exemple, le champ électrique interne ou la différence de niveau d'énergie induits par les hétérostructures TMD devraient accélérer la séparation des photoporteurs, supprimer la recombinaison photoporteurs et réduire le courant d'obscurité, bénéfique pour une photodétection haute performance. Le groupe de Wang a certifié la recombinaison électron-trous (e-h) supprimée dans les hétérostructures latérales. Selon les rapports, les hétérostructures latérales montrent une mobilité de porteurs plus élevée alors que les verticales augmentent généralement la zone photoactive et/ou améliorent le courant de passage par zone. De plus, les interfaces in-plane des hétérostructures latérales montrent une intensité d'émission photoluminescence (PL) plus forte que les deux côtés. Cependant, une émission PL supprimée peut être observée à l'hétérointerface verticale à cause de la recombinaison radiative directe réduite. Les hétérostructures TMD latérales et verticales permettent toutes deux de créer de nouvelles transitions excitoniques.

En termes de qualité de réseau cristallin, les hétérojonctions latérales MoX₂/WX₂ (X = S, Se, Te) pourraient induire peu de défauts structurels grâce à leur configuration en nid d'abeille similaire et paramètres de réseau proches. De plus, ce type d'hétérojonction forme généralement un alignement de bande de type II, désirable pour une photodétection à haut rendement. Selon les travaux antérieurs, l'hétérojonction latérale monocouche MoS₂/WS₂ préfère exhiber un alignement de type II avec le maximum de bande de valence (VBM) localisé dans WS₂ et le minimum de bande de conduction (CBM) dans MoS₂. Le groupe de Wu a rapporté que VBM et CBM de MoS₂ sont 0,39 eV et 0,35 eV plus bas que ceux de WS₂. L'offset de bande entre MoS₂ et WS₂ déterminant l'alignement peut être estimé via les différentes positions d'orbitales d de Mo et W. Les hétérostructures verticales peuvent être préparées par transfert mécanique et empilement, alors que les latérales ne peuvent être obtenues que par des méthodes de croissance. De plus, les hétérostructures verticales ne peuvent pas être contrôlées précisément et sont facilement contaminées aux interfaces. Heureusement, les hétérostructures latérales peuvent être synthétisées en une étape pour réduire les contaminations. Aujourd'hui, la croissance de grandes surfaces et haute qualité d'hétérostructures TMD monocouches latérales reste un grand défi. Donc, des hétérojonctions latérales TMD monocouches de haute qualité et grande surface sont significatives et désirées pour le développement de photodétecteurs haute performance.

Ici, des hétérojonctions latérales monocouches MoS₂/WS₂ avec interfaces nettes et bonne uniformité via méthode CVD liquide en une étape sont préparées et des photodétecteurs sont fabriqués sur ces hétérostructures. Les photodétecteurs présentés délivrent haute responsivité et détectivité de 567,6 A/W et 7,17 × 10¹¹ Jones respectivement. Ce travail démontre que les hétérojonctions latérales monocouches MoS₂/WS₂ peuvent servir de candidats qualifiés pour les applications optoélectroniques de prochaine génération.

Méthodes

Synthèse des hétérostructures

0,05 g tungstate de sodium, 0,5 g molybdate d'ammonium et 0,12 g particules NaOH (ou KOH) dissous dans 10 mL eau déionisée (DI) pour obtenir solution précurseur. Substrats croissance (saphir) traités par solution piranha pour améliorer l'hydrophilie de surface, puis solution précurseur déposée uniformément par essorage. Ensuite, substrat recouvert précurseur et soufre placés au centre de chauffe et en amont d'un tube quartz respectivement. Centre de chauffe rampé à 700 °C en 40 min, maintenu 10 min pour croître bicouches MoS₂-OH (monocouche MoS₂ + monocouche ions OH⁻ attachés). Finalement, gaz porteur changé Ar → Ar/H₂ (5 % H₂), centre chauffe à 780 °C en 10 min, maintenu 10 min pour permettre croissance WS₂ le long des bords des bicouches MoS₂-OH, formant hétérostructures latérales MoS₂/WS₂. Plus de détails dans travail précédent.

Processus de transfert

Méthode assistée polystyrène (PS) pour transférer hétérostructures latérales WS₂/MoS₂ de saphir vers substrats SiO₂/Si. Solution PS (9 g PS dans 100 mL toluène) essorée sur hétérostructures 3500 tr/min 60 s, cuisson 90 °C 10 min élimination toluène. Film WS₂/MoS₂–PS obtenu par goutte d'eau, film flottant récupéré avec substrat SiO₂/Si propre. Échantillon WS₂/MoS₂–PS–SiO₂/Si cuit 80 °C 1 h puis 150 °C 30 min pour étaler polymère et éliminer plis. Film PS éliminé par rinçage toluène multiples pour obtenir échantillons WS₂/MoS₂–SiO₂/Si.

Fabrication des dispositifs

Lithographie par faisceau d'électrons (EBL) standard pour définir marqueurs et motifs électrodes sur hétérojonctions latérales monocouches MoS₂/WS₂ as-grown. Électrodes Ti/Au (10 nm/100 nm) évaporées sur canal et lift-off acétone. Dispositif recuit thermique 400 °C 2 h sous vide, refroidi rapidement température ambiante.

Caractérisation matériaux

Images optiques : microscope OLYMPUS LV100ND. Raman, PL, cartographie AFM : spectromètre confocal Raman-AFM (Witec, alpha300 RA) laser 532 nm.

Caractérisation dispositifs

Propriétés optoélectroniques photodétecteurs mesurées avec station de sondes SemiPro et analyseur paramétrique semi-conducteur (Keithley 4200) et PDA (FS-Pro). Lasers différentes longueurs d'onde comme sources lumineuses pour mesurer photoréponse. Densités laser déterminées par irradiatomètre.

Résultats et Discussion

Fig. 1a : image optique hétérostructure latérale monocouche CVD-grown, illustrée par contraste optique. Spectres Raman correspondants positions 1 et 2 Fig. 1a confirment configuration MoS₂ interne (385,5 et 405,3 cm⁻¹) et WS₂ externe (351,5 et 416,5 cm⁻¹) Fig. 1b. Haute qualité cristalline MoS₂ et WS₂ implicite car pas de pic d'oxydation dans spectres Raman. Surtout, les pics propres MoS₂ et WS₂ observés à l'interface cousue marquée 3 Fig. 1a, indiquant deux matériaux formés à l'interface. Différence fréquence entre mode E₂g et A₁g MoS₂ = 19,8 cm⁻¹, suggérant monocouche. Pour WS₂, ratio intensité pic mode acoustique longitudinal (2LA) à 352 cm⁻¹ sur mode A₁g (I_2LA/I_A1g) plus précis pour vérifier épaisseur que différence fréquence. Ratio estimé ~2, accord monocouche WS₂ mesuré laser 532 nm. Décalage rouge distinct mode E₂g (vibration in-plane) observé, résultant de l'effet d'alliage dans hétérojonctions latérales. Comportement similaire observé hétérojonctions verticales, causé par écran diélectrique et couplage inter-couches. Cartographie Raman Fig. 1c (région bleue MoS₂, rouge WS₂) indique hétérostructure in-plane sans couture haute qualité. Fig. 1d, e démontrent configuration MoS₂ interne/WS₂ externe par cartographie PL. Points intensité PL accrue région WS₂ : inhomogénéité porteurs par impuretés/vacances. Émission PL plus forte à l'interface vs région MoS₂ : distribution inhomogène porteurs ou taux recombinaison photoinduite plus élevé aux bords. Raman et PL cartographies suggèrent interface nette et bien cousue MoS₂/WS₂. Épaisseur et morphologie surface mesurées AFM mode trapping. Peu de joints de grains (diffusion porteurs) observés dans matériau intérieur mais bords → meilleur transport électrique Fig. 1f. Épaisseur WS₂ externe ~0,7 nm (bas) cohérent monocouche WS₂ CVD rapportée ; différence hauteur WS₂/MoS₂ ~0,25 nm (haut) → monocouche MoS₂. Caractérisations matériaux démontrent hétérojonction latérale monocouche MoS₂/WS₂ à interface nette.

Photodétecteurs fabriqués par EBL sur hétérojonction latérale MoS₂/WS₂. Fig. 2a : schéma dispositif (haut) et alignement bande type II proposé (bas). Électrons et trous transférés/confinees dans régions MoS₂ et WS₂ via interface, conversion photoélectrique. Attribué à l'effet photogating, cas particulier de l'effet photoconductif. L'effet photogating fonctionne comme une photogate locale modulant la conductance du canal. Fig. 2b : image optique dispositif (surface effective ~40 µm²) avec électrodes E1 (source) et E2 (drain). Cartographie Raman combinée Fig. 2c : matériaux canal hétérojonction latérale MoS₂/WS₂ entre électrodes source/drain mesurées. Sections bleue (MoS₂), rouge (WS₂), foncée (électrodes métal). Fig. 2d : courbes caractéristiques sortie semi-log sous lumière visible 405, 520, 635 nm. Inset : relation I-V linéaire canal/électrodes. I-V linéaire favorable haute responsivité mais sensibilité faible cause courant d'obscurité élevé. I_ph (I_light – I_dark) augmente 12,5× après recuit thermique, attribuable à résistance contact diminuée, élimination défauts, conductivité électrique améliorée. Fig. 2e : caractéristiques photocommutation excitées longueurs d'onde ci-dessus. Courant transitoire monte vite lumière allumée, chute dès lumière éteinte → photodétecteur commutateur lumière prompt.

Fig. 3a : caractéristiques sortie semi-log même longueur d'onde puissances laser variées. Photocourant augmente avec densités puissance laser (plus porteurs photogénérés). Fig. 3b : courbes I-V même densité puissance longueurs d'onde incidentes différentes (différente absorption lumière et énergie excitation optique). Bien que longueur d'onde plus courte possède moins photons à même densité puissance, courant transitoire mesuré augmente avec diminution longueur d'onde irradiation. Peut être causé par absorption optique réduite à longueur d'onde plus longue. Fig. 3c : courant transitoire sous illumination laser périodique 10 s, photoréponse stable reproductible. Pour photodétecteurs basses dimensions dominés par photogating, vitesse réponse limitée et responsivité élevée du à durée vie porteurs excédentaires prolongée. Temps montée/descente = temps pour photocourant monter/descendre 10%/90% valeur stable à 90%/10%. Temps montée/descente relativement longs causés par recombinaison lente porteurs, originaire illumination laser excitant nombreux états défauts. Temps réponse (montée + descente) sacrifié par photogating cause processus piégeage charges longue durée. Certains chercheurs proposent matériaux canal haute qualité (chemin lisse/court transfert porteurs) et structure dispositif optimale pour améliorer vitesse réponse. Figures de mérite dispositifs photosensibles : responsivité (R) et détectivité (D*). R calculée par R = I_ph / (P·S) où P densité puissance laser, S surface effective dispositif. Fig. 3d : valeurs R sous différentes densités puissance. Champion R ~567,6 A/W, performance compétitive. Haute R attribuée recombinaison photoporteurs supprimée dans hétérostructure + piégeage électrons région MoS₂ présumé. Diminution R avec augmentation densité puissance révèle effet photogating.

Photocourant et densité puissance laser suivent loi puissance : I_ph = A·P^α (0 < α < 1). α obtenu par ajustement courbe I_ph vs P Fig. 4a, lié processus capture, recombinaison, transfert porteurs. Relation sous-linéaire I_ph vs P suggère présence effet photogating. α plus élevé (~0,73) basses densités puissance (recombinaison photoporteurs réduite, interactions porteurs réduites). α dégradé (~0,55) hautes densités puissance (pertes recombinaison plus fortes, plus états pièges). Précondition calcul D* via équation D* = R·(S/(2e·I_dark))¹ᐟ² : photodétecteurs limités par bruit de tir comme source bruit principale. Pour évaluer D* plus précisément, courant bruit mesuré Fig. 4b sous différentes fréquences. Fig. 4b : bruit 1/f typique dans nos photodétecteurs, obstacle significatif industrie semi-conducteurs nouveaux matériaux. Ce bruit principalement résulte impuretés chargées et sites piégeage canal conducteur. Qualité matériaux plus haute et densité défauts structurels faible désirées pour réduire bruit 1/f. Selon formule D* = R·(S·Δf)¹ᐟ² / I_noise (Δf bande passante mesure, I_noise courant bruit), détectivité photodétecteur ~7,17 × 10¹¹ Jones. Tableau 1 compare photodétecteurs représentatifs sélectionnés avec performance photoréponse basée matériaux 2D. R et D* relativement élevés nos photodétecteurs montrent grand potentiel dispositifs optoélectroniques.

Conclusions

En résumé, un photodétecteur haute performance a été développé basé sur hétérojonction latérale monocouche MoS₂/WS₂. Taille matériaux canal cultivés par CVD liquide en une étape atteint échelle millimétrique. Matériaux canal haute qualité avec bonne uniformité et interface nette examinés par caractérisations matériaux systématiques et mesures dispositifs subséquentes. Particulièrement, haute responsivité 567,6 A/W et détectivité ~10¹¹ Jones atteintes pour photodétecteurs attribuées à l'effet photogating. Performance hétérojonction latérale MoS₂/WS₂ proposée meilleure ou comparable travaux rapportés. De plus, le bruit 1/f indésirable provenant du piégeage/dépiégeage porteurs pourrait être réduit par matériaux canal haute qualité sans défauts. La croissance CVD liquide en une étape facile et l'excellente performance optoélectronique des photodétecteurs peuvent motiver recherches futures sur dispositifs optoélectroniques basés hétérostructures latérales.