MoS₂/GaAs异质结中卓越横向光伏响应用于超灵敏位置检测

摘要

本文报道磁控溅射在n型GaAs上沉积MoS₂薄膜实现的创纪录横向光伏效应(LPE)。MoS₂/n-GaAs异质结展现随激光光斑靠近电极线性上升的光伏电压，峰值达208.2 mV，对应灵敏度416.4 mV/mm。该值远超MoS₂/Si及其他MoS₂基器件报道值。对比MoS₂/p-GaAs结LPE仅7.3 mV。能带排列分析将优异性能归因于形成高导电反型层的强内建场(E_bi=1.07 V)，实现高效横向载流子扩散。最优MoS₂厚度约30 nm，平衡载流子扩散与复合。结果表明MoS₂/GaAs异质结构是高性能位置敏感探测器的有前景平台。

背景

二硫化钼(MoS₂)是原型二维半导体，提供可调带隙、晶体管高开关比(>10⁸)和高响应率光探测器[1-5]。与无隙石墨烯不同，MoS₂直接带隙(单层~1.8 eV，随层数增加减小)使其成为光电子器件理想材料[6]。近期工作将MoS₂与GaAs、Si、GaN等III-V半导体集成以利用互补特性[9-13]。GaAs具1.42 eV直接带隙和电子迁移率~8000 cm²/V·s，已实现MoS₂/GaAs太阳能电池(PCE>9%)[9]和自驱动光探测器(探测率3.5×10¹³ Jones)[10]。然而MoS₂/GaAs横向光伏探测器鲜有探索。LPE源于反型层中光生载流子横向扩散复合，产生随激光位置线性变化的光伏电压，对机器人、生物医学传感和过程控制中的位置敏感探测(PSD)极具价值[14-18]。

方法

MoS₂粉末(99%纯度)冷压(20 MPa)制成60 mm×4.5 mm靶，磁控溅射沉积于(100) GaAs衬底(n型、p型、本征)上，400°C、1 Pa、10 W。薄膜厚度(~10-90 nm)通过沉积时间调节，横截面SEM确认。In焊盘(300 µm×0.5 mm)作电极。表征包括拉曼光谱(488 nm)、AFM、XPS(Kratos Axis ULTRA)、UV-Vis透射(Shimadzu UV-3150)、UPS(He-I 21.22 eV)及电学测量(Keithley 2000/2400)。用650 nm激光光斑(~0.1 mm)扫描两In触点(~1 mm间距)探测LPE。灵敏度S=LPV_max/L。

结果与讨论

结构与光谱验证——拉曼峰406.7 cm⁻¹(A₁g)和378.9 cm⁻¹(E¹²g)确认晶质MoS₂；A₁g/E¹²g强度比~2.1符合文献[19]。AFM显示致密锥形晶粒(~76 nm)，RMS粗糙度1.7 nm，增强光吸收。

电学行为——MoS₂/n-GaAs异质结表现整流I-V，±1 V下比率~520(图3a)。横向I-V曲线显微弱非线性，指示n-GaAs中存在反型层(图3b)。对比MoS₂/本征GaAs呈线性I-V，确认In/MoS₂欧姆接触。

横向光伏效应——MoS₂/n-GaAs LPE曲线随激光位置线性，扩散模型拟合：LPV=K₀[exp(-|L-x|/d)-exp(-|L+x|/d)]。最大LPV达208.2 mV，MoS₂/p-GaAs仅7.3 mV，确认载流子类型依赖性。30 nm MoS₂薄膜灵敏度峰值416.4 mV/mm，增厚因复合增加而下降，减薄因内建场减弱而上升(图5)。

能带分析——UPS得MoS₂功函数5.24 eV、价带偏移0.51 eV，指示p型行为。结合GaAs参数(E_g=1.42 eV，n-GaAs E_F=4.17 eV)，界面形成p-n结，E_bi=1.07 V指向GaAs到MoS₂，产生高导电反型层(图7a-b)。p-GaAs情况弱E_bi(0.08 V)导致反型层载流子密度低、LPE相应较弱(图7d-e)。

优化MoS₂厚度平衡载流子扩散与复合，~30 nm处获最大LPE。

结论

磁控溅射MoS₂薄膜在n-GaAs上产生卓越LPE，灵敏度416.4 mV/mm，光伏电压随激光位置线性响应。强内建场和反型层支撑此性能，p-GaAs对应物灵敏度仅7.3 mV/mm。30 nm MoS₂厚度优化载流子扩散与复合权衡。这些洞察确证MoS₂/GaAs异质结作为高性能位置敏感探测器的有前景平台。

缩写

ΔE

E_V与E_F距离

d_MoS2

MoS₂薄膜厚度

E_bi

内建场

E_C

导带能级

E_F

费米能级

E_g

带隙能量

E_V

价带能级

I-V

电流-电压

LPE

横向光伏效应

LPV

横向光伏电压

LPV_max

最大横向光伏电压

MoS2

二硫化钼

PSD

位置敏感探测器

UPS

紫外光电子能谱

W

功函数