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基于横向单层 MoS2/WS2 异质结的光电探测器

摘要

由于出色的光捕获和光电检测能力,单层过渡金属二硫属化物 (TMD) 显示出下一代光电子学的巨大潜力。光电探测器作为传感、成像和通信系统的重要组成部分,能够感知光信号并将其转换为电信号。在此,通过一步液相化学气相沉积方法合成了大面积、高质量的横向单层 MoS2/WS2 异质结。系统表征测量已证实通道材料具有良好的均匀性和清晰的界面。因此,通过光门控效应增强的光电探测器可以提供具有竞争力的性能,包括 ~ 567.6 A/W的响应度和 ~ 7.17 × 10 11 的探测率 琼斯。此外,从电流功率谱中获得的 1/f 噪声不利于光电探测器的发展,这被认为是源于电荷载流子的俘获/释放。因此,这项工作可能有助于开发基于横向单层TMD异质结构的高效光电器件。

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介绍

考虑到近 50 亿美元的半导体芯片市场,二维 (2D) 材料目前是扩展摩尔定律的最可行和最有前途的候选材料之一 [1,2,3,4,5]。作为 2D 家族的代表性成员,过渡金属二硫属元素化物 (TMD) 由于其独特的光电特性和在光电检测和发光器件中的潜在应用 [6,7,8,9,10,11,12] 得到了深入研究[13, 14]。值得注意的是,可调带隙、高载流子迁移率、高光吸收和原子级薄的厚度使 TMD 成为光电探测器的合适通道材料,在光电或电子设备中发挥着至关重要的作用 [15, 16]。尽管引起载流子俘获效应的 TMD 中的晶体缺陷会导致高光敏性,但它们仍不可避免地导致响应速度缓慢 [17]。此外,一些研究人员提出等离子体增强以提高二维材料的有限光利用率 [18,19,20]。结合各自的优势并在结处显示独特的电子传输,提出了横向缝合或垂直堆叠的 TMD 异质结构 [21]。这种异质结构可以调整固有的电子特性并改善光吸收 [22],显示出新兴和可设计的特征 [13, 23]。例如,由 TMD 异质结构引起的内置电场 [24] 或能级差异 [25] 应加速光载流子分离 [26],抑制光载流子复合 [17, 27] 并降低暗电流 [28],这有利于实现高性能光电检测。此外,Wang 的团队 [29] 已经证明了横向异质结构中抑制的电子 - 空穴(e-h)复合。正如之前报道的那样,横向异质结构显示出更高的载流子迁移率 [30],而垂直异质结构通常会增加光敏面积 [27] 和/或增强每个面积的电流驱动 [31]。此外,横向异质结构的面内界面显示出比两侧更强的发射强度[14]。然而,由于直接辐射复合减少,可以在垂直异质界面中观察到抑制的光致发光 (PL) 发射 [32]。此外,横向和纵向 TMDs 异质结构都可以创造新的激子跃迁 [14]。

在晶格质量方面,MoX2/WX2(X =S、Se或Te)横向异质结几乎不会由于其类似的蜂窝状[33、34]构型和晶格参数[34]而引起结构缺陷。此外,这种异质结通常可以形成 II 型能带排列,这对于高效光电检测是可取的 [32, 34, 35]。根据之前的工作,横向单层 MoS2/WS2 异质结倾向于表现出 II 型能带排列,其中价带最大值 (VBM) 位于 WS2,导带最小值 (CBM) 位于 MoS2 [32, 34]。例如,Wu 的团队进一步报告说,MoS2 的 VBM 和 CBM 分别比 WS2 低 0.39 eV 和 0.35 eV [34]。此外,确定能带对齐的 MoS2 和 WS2 之间的能带偏移可以通过 Mo 和 W 的不同 d 轨道位置来估计 [34]。垂直异质结构可以通过机械转移和堆叠来制备,而横向异质结构只能通过生长方法来实现 [14]。此外,如前所述,垂直异质结构无法精确控制,并且很容易在层之间的界面处受到污染 [33]。幸运的是,横向异质结构可以通过一步法合成以减少污染 [28]。如今,大面积、高质量的横向单层 TMD 异质结构的生长仍然是一个巨大的挑战 [36]。因此,高质量、大面积的横向TMDs异质结对于开发高性能光电探测器具有重要意义和需要。

在这里,通过一步液相 CVD 方法制备了具有尖锐界面和良好均匀性的横向单层 MoS2/WS2 异质结,并基于这些异质结构制造了光电探测器。所提出的光电探测器可以提供567.6 A/W和7.17 × 10 11 的高响应度和探测率 琼斯分别。这项工作证明了横向单层MoS2/WS2异质结可以作为下一代光电应用的合格候选。

方法

异质结构合成

将 0.05 克钨酸钠、0.5 克钼酸铵和 0.12 克 NaOH(或 KOH)颗粒溶解在 10 毫升去离子 (DI) 水中以获得前体溶液。用食人鱼溶液处理生长衬底(蓝宝石)以提高表面亲水性,然后将前体溶液均匀地旋涂到干净的蓝宝石衬底上。之后,将覆盖蓝宝石和硫的前驱体分别放置在加热中心和石英管的上游。加热中心在 40 分钟内升温至 700°C 并保持 10 分钟以生长 MoS2-OH 双层(即 MoS2 单层和单层 OH - 离子)。最后,载气从 Ar 变为 Ar/H2(5% H2),加热中心在 10 分钟内加热到 780°C 并保持 10 分钟,使 WS2 沿着 MoS2-OH 双层的边缘生长,形成 MoS2/WS2 横向异质结构。异质结构合成的更多细节参考以前的工作[30]。

传输流程

我们使用聚苯乙烯 (PS) 辅助方法将 WS2/MoS2 横向异质结构从蓝宝石转移到 SiO2/Si 衬底。 PS 溶液(9 g PS 溶解在 100 mL 甲苯中)首先以 3500 rpm 的速度旋涂在异质结构上,持续 60 秒,然后将样品在 90 °C 下烘烤 10 分钟以去除甲苯。之后,通过水滴获得 WS2/MoS2-PS 薄膜,然后用干净的 SiO2/Si 衬底将漂浮的 WS2/MoS2-PS 薄膜疏通。 WS2/MoS2–PS-SiO2/Si 样品在 80°C 下烘烤 1 小时,然后在 150°C 下烘烤 30 分钟,以分散聚合物以消除可能的皱纹。最后用甲苯多次冲洗去除PS薄膜,得到WS2/MoS2-SiO2/Si样品。

设备制造

标准电子束光刻 (EBL) 用于在生长的横向单层 MoS2/WS2 异质结上定义标记和电极图案。 Ti/Au 电极 (10 nm/100 nm) 在通道上蒸发并在丙酮中提离。该器件在真空中在 400°C 下热退火 2 小时,然后迅速冷却至室温。

材料表征

光学图像是用 OLYMPUS 显微镜(LV100ND)捕获的。拉曼、PL 和 AFM 映射图像使用拉曼-AFM 共聚焦光谱仪(Witec,alpha300 RA)测量,激光波长为 532 nm。

设备特性

光电探测器的光电特性使用 SemiProbe 探针台和半导体参数分析仪 (Keithley 4200) 和平台设计自动化 (PDA, FS-Pro) 进行测量。不同波长的激光作为光源用于测量光电探测器的光响应。用辐照计测定不同的激光密度。

结果与讨论

图 1a 显示了 CVD 生长的横向单层异质结构的光学图像,由光学对比度说明。从图 1a 中标记为 1 和 2 的不同位置获得的相应拉曼光谱证实了内部 MoS2 (385.5 cm -1 和 405.3 厘米 −1 ) 和外部 WS2 (351.5 cm −1 和 416.5 厘米 −1 ) 在图 1b [30] 中。由于在相应的拉曼光谱中没有观察到氧化峰 [37],这暗示了 MoS2 和 WS2 的高晶体质量。特别是,在图 1a 中标记为 3 的缝合界面中观察到 MoS2 和 WS2 的特征峰,表明界面处形成了两种材料。此外,MoS2 的 E2g 模式和 A1g 模式之间的频率差异为 19.8 cm −1 , 建议单层 [30, 38, 39]。当考虑 WS2 时,纵向声模 (2LA) [40] 在 352 cm −1 的峰值强度比 到 A1g 模式,即 I2LA/IA1g,比频率差更准确地验证厚度 [14]。该比率估计为 ~ 2,与通过 532 nm 激光测量的单层 WS2 一致 [14]。可以观察到 E2g 模式(面内振动)的明显红移,这是由横向异质结中的合金化效应 [41] 引起的。值得注意的是,在垂直异质结中也观察到了这种类似的行为,这是由介电屏蔽和层间耦合引起的 [42]。此外,图 1c 中 MoS2 的蓝色区域和 WS2 的红色区域的拉曼映射结果表明无缝的高质量面内异质结构 [13, 43]。图 1d、e 还分别通过 PL 映射演示了内部 MoS2 和外部 WS2 的配置 [13]。在 WS2 区域显示增强的 PL 强度的几个点可以解释为由杂质或空位引起的载流子不均匀性 [14]。此外,界面处比 MoS2 区域更强的 PL 发射可以解释为载流子的不均匀分布或边缘处更高的光致载流子复合率 [14]。拉曼和 PL 映射都表明 MoS2 和 WS2 之间存在清晰且缝合良好的界面 [14, 44]。通过具有捕获模式的原子力显微镜(AFM)测量厚度和表面形态。请注意,在材料内部观察到导致电荷载流子散射 [45] 的晶界很少,但边缘显示出更好的电传输性能,如图 1f [14, 46] 所示。 WS2 外侧的厚度为 ~ 0.7 nm(底部),与之前报道的 CVD 生长的 WS2 单层一致 [47],WS2 和 MoS2 之间的高度差约为 0.25 nm(顶部),暗示单层 MoS2 [47]。总体而言,上述材料表征结果可以证明具有尖锐界面的横向单层MoS2/WS2异质结。

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生长的横向单层 MoS2/WS2 异质结构的材料表征结果。 (a) 横向单层 MoS2/WS2 异质结的光学图像。 (b) 在 (a ), 分别。拉曼映射图像 (c ), MoS2 区域的 PL 映射图像 (d ) 和 WS2 区域 (e ) 从 (a 中的红框区域 )。在(c )–(e )。 (f ) AFM 形态图像中蓝色线(WS2 和 MoS2 之间)和白色线(WS2 和基板之间)对应的横截面高度分布图

光电探测器是使用基于横向 MoS2/WS2 异质结的 EBL 系统制造的。图 2a 展示了横向异质结器件的示意图(顶部)和相应的 II 型能带排列(底部)。因此,电子和空穴分别通过界面转移和限制在 MoS2 和 WS2 区域,实现光电转换 [13, 21, 24, 48]。我们将此归因于光门控效应,例如光电导效应的特殊情况 [49]。光门效应可以作为局部光门调节通道电导[50]。有效器件面积为 ~ 40 μm 2 的器件光学图像 在图 2b 中描述了 E1 和 E2 电极作为源电极和漏电极。为了找出异质结配置,进行了组合拉曼映射(图 2c),表明测量的源极和漏极(E1 和 E2)之间的横向 MoS2/WS2 异质结的沟道材料 [28]。蓝色、红色和深色部分分别是 MoS2、WS2 和金属电极。图 2d 分别显示了 405 nm、520 nm 和 635 nm 可见光下横向异质结的半对数输出特性曲线。图 2d 中的插图显示线性 I-V 通道和电极之间的关系 [51,52,53,54,55,56]。线性IV 特性有利于实现高响应度,但由于高暗电流,光电探测器的灵敏度较差 [57]。此外,I ph(即I 光 – I 光探测器的暗)增加到热退火前的 12.5 倍,这可能归因于接触电阻降低 [46, 58]、缺陷去除 [59] 和电导率提高 [60]。图 2e 描绘了由上述波长激发的光开关特性。瞬态电流在灯亮时迅速上升,灯灭时瞬态电流下降,表明该光电探测器可以作为光敏开关[61]。

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光电探测器的光电特性。 (a) 光电探测器的示意图和建议的波段对齐。光学图像 (b ) 和相应的组合拉曼映射 (c ) 的光电探测器。 E1和E2代表被测器件的源漏电极。半对数 (d ) 和线性((d) 的插图 ) V 特性和光开关特性 (e ) 的光电探测器

具有相同波长但不同激光功率密度的半对数输出特性如图 3a 所示。正如预期的那样,由于更多的诱导光生载流子,光电流随着激光功率密度的增加而增大 [62]。图 3b 显示了 IV 具有相同激光功率密度但不同入射波长(即不同的光吸收量和光激发能量)的曲线。尽管在相同的激光功率密度下,与较长波长相比,较短波长拥有较少的光子。在这种情况下,测得的瞬态电流随着照射波长的减小而增加。这可能是由于较长波长处的光吸收减少所致 [63, 64]。图 3c 描述了 10 秒周期性激光照射下的瞬态电流,表明稳定的可重复光响应 [61]。对于大多数以光门效应为主的低维光电探测器,由于过剩载流子寿命的延长,可以获得有限的响应速度和高响应度 [50, 65]。上升/下降时间定义为光电流从稳定值的10%/90%上升/下降到90%/10%所需的时间[66, 67]。相对较长的上升/下降时间应该是由缓慢的载流子复合引起的,源于激光照射激发了许多缺陷状态[68]。因此,由于长寿命的电荷俘获过程,包括上升时间和下降时间在内的响应时间被光门效应牺牲了 [57]。一些研究人员提出,可以为载流子传输提供平滑和短路径的高质量通道材料和优化器件结构可以提高响应速度[69, 70]。实际上,光敏器件的品质因数主要是责任(R ) 和探测能力 (D *)。 R 由关系式计算

$$R ={{\mathop I\nolimits_{ph} } \mathord{\left/ {\vphantom {{\mathop I\nolimits_{ph} } {(P \cdot S)}}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} {(P \cdot S)}}$$ (1)

光电探测器的光响应行为。 V 不同 405 nm 激光功率密度 (a ) 和在 5 mW/cm 2 的不同入射波长下 (b )。 (c) 由入射光的周期性开/关切换激发的时间分辨光响应。 (d) 提取的 R (黑色球体)作为激光功率密度的函数。 (c 的施加电压 –d ) 是 1 V

其中 PS 分别是激光功率密度和有效器件面积 [62, 71, 72]。图 3d 显示了 R 的相应值 不同激光功率密度下的光电探测器。冠军R 达到 ~ 567.6 A/W 提供有竞争力的性能参数。高 R 归因于异质结构中抑制的光载流子复合以及可能在 MoS2 区域中的电子俘获 [22]。降低的 R 随着激光功率密度的增加,进一步揭示了光电探测器中的光门控效应[73]。

此外,光电流和激光功率密度遵循幂律方程:

$$\mathop I\nolimits_{ph} =A\mathop P\nolimits^{\alpha }$$ (2)

其中 A 是常数且 0 <α <1. α的值 ,通过拟合I的曲线得到 ph 与 P 在图 4a 中,与载流子捕获、重组和转移过程有关 [74, 75]。 I 之间的次线性关系 ph 和 P 进一步表明器件中存在光门控效应 [65]。由于减少了光载流子复合和载流子之间的相互作用,当应用较低的功率密度时,可以获得较高的 α 值(例如 ~ 0.73)[75, 76]。相比之下,由于更强的复合损失和更多的陷阱状态,更高的功率密度会导致 α 值下降 ~ 0.55 [77]。计算D的前提 * 通过等式

$$\mathop D\nolimits^{*} =R\mathop {({S \mathop{\left/ {\vphantom {S {2e\mathop I\nolimits_{{{\text{dark}}}} }} } \right. \kern-\nulldelimiterspace} {2e\mathop I\nolimits_{{{\text{dark}}}} }})}\nolimits^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \对。 \kern-\nulldelimiterspace} 2}}}$$ (3)

(a) I的剧情 ph 值与激光功率密度的关系。 (b) 当前功率谱 (S ) 在不同频率下。 (a–b 的施加电压 ) 是 1 V

是光电探测器受到作为主要噪声源的散粒噪声的限制 [49, 66, 78]。为了进一步评估D * 更准确地说,图 4b 中获得的噪声电流是在不同频率下测量的 [74]。图 4b 显示了我们光电探测器中典型的 1/f 噪声 [79],这是新材料对半导体行业的重大阻碍。这种噪声主要是由导电通道中的带电杂质和俘获点引起的 [57, 80]。降低 1/f 噪声需要更高的材料质量和较小的结构缺陷密度 [81]。根据公式

$$\mathop D\nolimits^{*} =R{{\mathop {(S\Delta f)}\nolimits^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} 2}}} } \mathord{\left/ {\vphantom {{\mathop {(S\Delta f)}\nolimits^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \对。 \kern-\nulldelimiterspace} 2}}} } {\mathop I\nolimits_{{{\text{noise}}}} }}} \right。 \kern-\nulldelimiterspace} {\mathop I\nolimits_{{{\text{noise}}}} }}$$ (4)

其中 Δf 噪声是测量带宽和噪声电流[79],光电探测器的探测率约为7.17 × 10 11 琼斯。表 1 比较了一些选定的代表性光电探测器与基于 2D 材料的相应光响应性能。相对较高的 RD * 我们的光电探测器在光电器件中显示出巨大的潜力。

结论

总之,基于横向单层 MoS2/WS2 异质结开发了一种高性能光电探测器。一步液相CVD法生长的通道材料尺寸达到毫米级。此外,通过系统的材料表征和随后的器件测量来检查具有良好均匀性和清晰界面的高质量通道材料。特别是567.6 A/W的高响应度和 ~ 10 11 的探测率 对于归因于光选通效应的光电探测器,实现了琼斯。所提出的横向 MoS2/WS2 异质结光电探测器的性能优于或可与报道的工作相媲美 [24、62、76、78、86、97、98]。此外,我们假设高质量和无缺陷的沟道材料可能会进一步减少由载流子的俘获/释放引起的不希望有的 1/f 噪声。光电探测器的简便的一步液相CVD生长和优异的光电性能可以激发基于横向异质结构的光电器件的进一步研究。

数据和材料的可用性

本文包含支持本文结论的数据集。


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