多层二硫化钼光电晶体管的偏置相关光响应性

背景

最近，包括二硫化钼 (MoS2) 和二硒化钨 (WSe2) 在内的过渡金属二硫属化物 (TMD) 材料作为下一代纳米电子器件的通道材料受到了相当多的关注 [1,2,3,4,5,6]。特别是，使用 MoS2 的薄膜晶体管表现出有趣的电学特性，例如高电子迁移率 (~ 200 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ ), 高电流开/关比 (~ 10 ⁸ ) 和低亚阈值摆幅 (~ 70 mV dec ⁻¹ ) 在单层 MoS2 晶体管中 [7]。此外，由于其带隙能量（单层 MoS2 的直接带隙为 1.8 eV [8]，块体 MoS2 的间接带隙为 1.2 eV [9]），MoS2 作为光电子器件中的光吸收层而备受关注。大吸收系数（α =1–1.5 × 10 ⁶ cm ⁻¹ 对于单层 [10] 和 0.1–0.6 × 10 ⁶ cm ⁻¹ 批量 [11]）。因此，使用 MoS2 的光电晶体管在关闭状态下具有低暗电流和高光响应性。通过引入额外的层，如石墨烯 [12,13,14,15]、量子点 [16,17,18]、有机染料 [19]、WS2 [20,21,22]，提高了 MoS2 光电晶体管的性能、ZnO [23] 和 p 型 MoS2 [24] 或通过改变栅极电介质 [7, 25, 26]。通过这种方式，人们积极进行了许多研究，以通过额外的制造工艺来提高光响应性；然而，目前缺乏对MoS2光电晶体管的增益控制和具体理解的研究。启用增益控制后，可以可靠地检测大范围的光强度，并且无需任何额外的制造过程即可增加增益。在此背景下，我们研究了多层二硫化钼光电晶体管中偏置（漏极或栅极）控制的光响应性。

方法

图 1a 显示了制造的多层 MoS2 光电晶体管的示意图。我们在重 n 掺杂的硅衬底上生长了 250 nm SiO2。多层 MoS2 薄片从块状 MoS2（美国石墨烯超市）机械剥离，并通过使用传统透明胶带方法转移到 SiO2/Si 基材上 [27]。通过光刻法对源电极和漏电极进行图案化，并使用电子束蒸发器将 Ti/Au (5/80 nm) 沉积在图案化的图案上。图 1b 显示了制造的光电晶体管的 AFM（原子力显微镜）图像。通道长度和宽度分别为 7.31 和 4.74 μm，插图显示多层 MoS2 的厚度约为 49 nm，相当于约 75 层，假设一层的厚度为 0.65 nm [28， 29]。

制作的 MoS2 光电晶体管和电学特性。 一 制造的多层二硫化钼光电晶体管的示意图。 b 光电晶体管的原子力显微镜 (AFM) 图像。插图是沿 AFM 图像中红线的横截面图。 c 漏电压为 3、9、15、21 和 27 V 的多层 MoS2 光电晶体管在黑暗中的传输特性。 d 亚阈值摆幅随漏偏置增加的变化

结果与讨论

图 1c 显示了在黑暗中漏极偏压为 3、9、15、21 和 27 V 的多层 MoS2 光电晶体管的转移特性。使用双通道源表（Keithley 2614B）在室温和 N2 环境下测量制造的多层 MoS2 光电晶体管的电流 - 电压特性。开/关比约为 10 ⁵ .场效应迁移率估计为 18.6 cm ² /V s 对于 3 V 的漏极偏置，来自以下等式 [26]：

其中 L 是通道长度，W 是沟道宽度，氧化物电容C OX 为 1.38 × 10 ⁻⁸ F/cm ² .可以清楚地观察到，当漏极偏置增加时，阈值电压降低，亚阈值摆动增加。这表明阈值电压和亚阈值摆动受漏极偏压的影响。一般来说，阈值电压的估计公式为：

其中 V GS(0) 是转移曲线线性部分的趋势线与 x 之间的截距 -轴。然而，方程。 (2) 假设一个小的漏偏置使得速度饱和效应可以忽略不计 (V DS〈〈L ⋅ ν sat/μ eff =10 V，其中 ν sat 是饱和速度，μ eff 是场效应迁移率）；因此，很难为大漏偏压提取准确的阈值电压。出于这个原因，我们只提取了亚阈值摆动的变化，并确认了漏极偏置对沟道的影响。图 1d 显示了从 log(I D ) − (V GS) 不同漏偏压的图。当漏偏压从 3 V 增加到 27 V 时，亚阈值摆动从 1.44 V/decade 增加到 3.14 V/decade。这意味着大漏偏压降低了 MoS2 沟道和 Au 源电极之间的势垒，从而削弱了沟道可控性的栅极偏置。

为了研究 MoS2 光电晶体管的响应度，我们使用 466 nm 波长二极管泵浦固态 (DPSS) 激光器测量了各种照明功率密度下的传输特性。图 2a 显示了多层 MoS2 光电晶体管在黑暗和三种不同光强（5、7 和 10 mW/cm ² ）下的转移特性 )，在 3 V 的漏电压下。随着光强度的增加，转移曲线向左移动，这表明光生空穴被困在 MoS2 通道中并充当正栅极偏压 [13, 30, 31] .图2b显示了在- 30 V的恒定栅极偏压下，当光强度和漏极偏压增加时光电流和响应度的变化。 光电流是通过光照和黑暗中的漏极电流之间的差异获得的（I ph =I 发光 − I 暗），响应度由 I 定义 ph/P 光，在我 ph 是光电流，P 光是在 MoS2 通道上照射的光功率。随着漏偏压和光强度的增加，光电流和响应度增加。考虑波长为466 nm的激光器，100%外量子效率（EQE）对应的响应度为0.375 A/W，测得的响应度超过该值，当漏偏压为15 V，光强为8 毫瓦/厘米 ² .这意味着该多层MoS2光电晶体管存在光响应增益，并且受漏极偏压的影响。

MoS2 光电晶体管的光响应特性取决于光照强度。 一 具有恒定 V 的传输特性 DS =3 V 在三种不同强度的光（5、7 和 10 mW/cm ² ）。 b 不同漏偏压(V DS =9, 15 V) 和恒定的栅极偏置 (V GS =− 30 V) 施加

为了观察光响应性随栅极电压的变化，我们测量了光电流，同时在 5 mW/cm ² 下将漏极电压从 3 V 增加到 27 V 光照明（图3a）。随着施加的栅极偏压增加，光电流在关态 (V GS <V th) 并在 ON 状态 (V th <V GS）。这是因为，当施加的栅极偏压为 - 30 V（OFF 状态）并被照亮时（图 3b），在 MoS2 沟道和源极/漏极（Au）电极之间形成大的势垒。因此，被捕获的空穴破坏的保持通道中性所需的电子不能很好地注入通道中。然而，随着栅极偏置增加到阈值电压，势垒变小，电子可以很容易地扩散到 MoS2 通道中。因此，光电流在阈值电压之前呈指数增加。另一方面，如果栅极偏压变得大于阈值电压，即当器件导通时，势垒充分降低并且光电流饱和（图 3c）。还注意到随着漏极偏压的增加，光电流在关闭和开启状态下都会增加。这意味着，与仅在关断状态 [26, 32] 下测量的传统光电晶体管的光响应特性不同，随着漏极电压的增加，即使在导通状态下也有光响应增益。

MoS2 光电晶体管的光响应取决于施加的偏压。 一 各种漏偏压（3、9、15、21 和 27 V）和恒定光强度 (5 mW/cm ² ) 下的光电流 ) 取决于栅极偏置。 b, c 多层MoS2光电晶体管的能带图

为了验证漏极偏压对处于关闭和开启状态的 MoS2 光电晶体管的光响应率的影响，通过用光照射并将其固定到 - 30 和 27 V 对应于关闭的栅极偏压来测量光响应特性状态和 ON 状态，分别。图 4a 显示了光电流的变化，图 4b 显示了根据关闭状态下的漏极偏压的响应度和比检测率。由公式[26, 33]提取比检测率：

其中 R 是响应度，A 是 MoS2 通道的面积，q 是单位费用，I 暗是暗电流。在关闭状态下，光电流和响应度随着更高的漏极偏压呈指数增加。因此，光电流（响应度）为 4.28 × 10 ^-14 A (0.12 A/W) 当漏极偏压为 3 V 且光强度为 10 mW/cm ² , 急剧增加到 1.57 × 10 ⁻⁸ 施加 27 V 漏极偏压时的 A (4.53 A/W)。这些结果表明光电流和响应度随着漏偏压的增加呈指数增加。另一方面，在 ON 状态下，光电流（图 4c）和响应度（图 4d）线性增加并随着漏极偏压的增加而饱和。当光强度恒定在 5 mW/cm ² 漏极偏压从 3 V 增加到 27 V，光电流（响应度）从 2.9 × 10 ^-6 增加了 5 倍 A (1677 A/W) 至 1.5 × 10 ⁻⁵ A (8667 A/W)。此外，探测性显示出与响应性相同的趋势。在关闭状态下（图 4b），它从 1.76 × 10 ⁸ 增加 琼斯到 2.87 × 10 ⁸ 在 10 mW/cm ² 的光强度下，当漏极偏压从 3 V 增加到 27 V 时的 Jones .在 ON 状态下（图 4d），它从 6.14 × 10 ⁹ 增加 琼斯到 8.63 × 10 ⁹ 在 5 mW/cm ² 的光强度下，漏偏压从 3 V 增加到 27 V 时 .因此，由于扩散电流在截止状态下占主导地位，响应度随着漏偏压的增加呈指数增加。另一方面，在导通状态下漂移电流占主导地位；因此，随着漏极偏置的增加，响应度线性增加。

在四种不同辐照度（5、7、8 和 10 mW/cm ² ）下测量的光响应特性 ) 当漏极偏压增加时。 一 光电流，b 响应度和关闭状态下的特定检测能力。 a 中的插图 和 b 分别用光电流和响应度的对数标度绘制。 c 光电流，d ON状态下的响应性和特异性检测

观察到的多层 MoS2 光电晶体管的漏极偏置相关特性可以通过图 5 所示的能带示意图来解释。当多层 MoS2 通道被照亮时，电子-空穴对在通道中光生。光生空穴被困在 MoS2 通道中，从而破坏了通道的中性。然后，带正电的通道从源头吸引更多的电子以保持中性，从源头提供多少电子决定了光响应增益。当施加的栅极偏压低于阈值时，如图 5a 所示，MoS2 通道和源极之间有一个很大的势垒，并且漏电流受到势垒上扩散的限制。随着施加的漏极偏压增加（图 5b），由于 MoS2 通道的弯曲，势垒降低，从而促进电子供应以实现通道中性。因此，如图 4b 所示，对于漏极偏压，光响应性呈指数级提高。当施加的栅极偏置高于阈值时，MoS2 和源极之间的势垒足够低（图 5c），漏极电流受到沟道中载流子漂移的限制。因此，载流子漂移速度是影响光响应性变化的主要因素。在这种情况下，随着施加的漏极偏压增加（图 5d），载流子速度和光响应性线性增加并在某个漏极偏压（~ 10 V）下饱和，如图 4d 所示。

多层 MoS2 光电晶体管在 OFF (V GS <V th) 状态 (a ) 和关闭状态下的高漏极偏置 (b ）。 ON 中的低漏偏置 (V GS> V th) 状态 (c ) 和导通状态下的高漏偏置 (d )

结论

我们制造了一个多层基于 MoS2 的光电晶体管，并详细研究了其偏置（漏极或栅极）控制的光响应性。根据偏压的光响应性变化可分为两种情况：当栅极偏压小于阈值电压时（OFF 状态）和当栅极偏压大于阈值电压时（ON 状态）。当栅偏压小于阈值电压时，由于 MoS2 和源电极之间的势垒很大，少量电子会扩散到沟道中。随着栅极或漏极偏压的增加，势垒的高度会降低，而注入中性通道的电子数量会增加。结果，光响应性呈指数增加。另一方面，当栅极偏置大于阈值电压时，由于电流受载流子漂移速度的限制，光响应性受载流子速度而不是势垒高度的影响。随着漏偏压增加，载流子速度线性增加并变得饱和。因此，光响应性线性增加并变得饱和。我们能够根据栅极或漏极偏压了解多层基于二硫化钼的光电晶体管的响应度变化。因此，可以根据目的和环境控制增益以增加MoS2光电晶体管的应用范围并优化操作。