MoS2/GaAs 异质结中的大横向光伏效应

背景

由于其优异的性能，二硫化钼 (MoS2) 作为一种典型的二维材料正在被研究，以开发下一代微电子器件和光电器件 [1,2,3,4,5]。与石墨烯不同，MoS2 具有明显的带隙，其带隙随着层数的增加而减小[6]。明显带隙的存在使得MoS2晶体管的开/关比超过10 ⁸ 以及具有高响应度的光电探测器 [7, 8]。最近，MoS2 与其他半导体的结合引起了很多兴趣，例如 GaAs、Si 和 GaN [9,10,11,12,13]。这些设计的异质结构为基于 MoS2 的材料开发实用的光电器件提供了可行的技术路线。在所有这些体半导体中，GaAs 具有合适的直接带隙~ 1.42 eV 和高电子迁移率（~ 8000 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ ）。林等人。制造的 MoS2/GaAs 太阳能电池的功率转换效率超过 9.03% [9]。此外，Xu 等人。报道了一种具有 3.5 × 10 ¹³ 极高探测率的 MoS2/GaAs 自驱动光电探测器 琼斯 [10]。在以往的报告中，对 MoS2/GaAs 异质结构的研究主要集中在太阳能电池和光电探测器领域的应用上。然而，MoS2/GaAs 作为基于横向光伏效应 (LPE) 的位置敏感探测器 (PSD) 的报道很少。与普通的纵向光伏效应不同，LPE起源于界面处反转层中光生载流子的横向扩散和复合[14,15,16,17,18]。在 LPE 效应中，可以获得横向光电压 (LPV)，它随器件表面有源区上的激光光斑位置线性变化。这些特性使得 LPE 在开发高性能 PSD 方面非常有用，并在机器人、生物医学应用、过程控制、位置信息系统等领域得到了广泛的研究。

在这项工作中，不同厚度的 MoS2 薄膜沉积在 n 的表面 -/p -GaAs 衬底通过磁控溅射技术。在制备的 MoS2/n 中观察到大的 LPE -GaAs异质结，灵敏度达到416.4 mV mm ⁻¹ .我们的结果进一步表明，LPE 对 GaAs 衬底的载流子类型和 MoS2 薄膜的厚度表现出明显的依赖性。通过界面能带对齐的构建，提出了器件中LPE的机理。

方法

使用直流磁控溅射技术在 (100) 取向的 GaAs 衬底上沉积 MoS2 薄膜。在 20.0 MPa 的压力下将 MoS2 粉末（纯度，~ 99%）冷压成圆盘。在溅射过程中使用制造的圆盘（Φ60.0 mm × 4.5 mm）作为靶。 n- /p -GaAs 衬底分别用于我们的实验。沉积前，基材依次用酒精、丙酮和去离子水超声清洗。随后，不同厚度的 MoS2 薄膜 (d MoS2 =~ 10, 30, 50, 90 nm) 分别在 400 °C 的温度下在 GaAs 衬底上生长。在沉积过程中，工作压力和功率分别保持在 1.0 Pa 和 10.0 W。作为参考，MoS2 薄膜也沉积在本征 GaAs 上（i -GaAs) 衬底在相同条件下。最后，在MoS2薄膜上压入约300μm直径0.5mm的In焊盘作为电极。

使用激发波长为 488 nm 的拉曼光谱（HORIBA，HR800）表征 MoS2 薄膜。通过原子力显微镜（AFM）扫描样品表面。 X 射线光电子能谱 (XPS) 由带有单色 Al Kα X 射线源的 Kratos Axis ULTRA 光谱仪进行。通过横截面扫描电子显微镜（SEM）（附加文件1：图S1）的厚度和沉积时间获得沉积速率，然后通过沉积速率和每个沉积时间确定每个膜厚度。透射光谱由岛津UV-3150分光光度计测量。紫外光电子能谱 (UPS) 使用未经过滤的 He-I (21.22 eV) 气体放电灯进行。 LPV 使用 Keithley 2000 伏特计和三维电动载物台以 650 nm 波长的激光作为照明源进行测量。电流-电压 (I -V ) 曲线使用 Keithley 2400 SourceMeter 测量。

结果与讨论

图 1 显示了 GaAs 衬底上的 MoS2 薄膜的拉曼光谱。除了 GaAs 衬底在 ~ 287.1 cm ^-1 处的峰值 ，可以看到两个特征 MoS2 拉曼峰，A1g 模式在 ~ 406.7 cm ⁻¹ 和 E ¹ 2g 模式在 ~ 378.9 cm ⁻¹ .右边的两个插图显示了 MoS2 中原子振动的图示。 A1g 模式对应于 S 原子沿面外方向反相振荡，E ¹ 2g 模式对应于 S 和 Mo 原子在平行于晶面的反相中振荡。如图所示，薄膜优先激发对应于A1g模式的拉曼峰。根据我们的测量，A1g/E ¹ 的强度比 2g大约是2.1。这些拉曼特性与有关 MoS2 薄膜的其他报道结果相似 [19]。左插图显示了在 GaAs 衬底上生长的 40-nm MoS2 薄膜的 AFM 形貌图像。从图中可以看出，薄膜表面由致密的锥形颗粒组成。根据测量，薄膜的均方根 (RMS) 粗糙度约为 1.7 nm，晶粒的平均尺寸约为直径 76.3 nm。表面的这些颗粒可以减少对外部光的表面反射，增强所制造器件的光吸收。

GaAs 上 MoS2 薄膜的拉曼光谱。右两个插图显示了 E ¹ 振荡模式的示意图 分别为 2g 和 A1g。原子色码：淡蓝绿色、Mo；黄色，S。左插图显示了生长的 MoS2 薄膜的表面形貌图像

图 2 显示了 MoS2 薄膜的 XPS 光谱。如图 2a 所示，229.3 eV 和 232.5 eV 处的峰分别与 Mo 3d5/2 和 Mo 3d3/2 轨道有关。如图 2b 所示，二价硫离子 (S ²⁻ ) 分别在 162.2 和 163.3 eV 处观察到。结果与报道的 MoS2 晶体值一致 [17, 18]。

a 的 MoS2 薄膜的 XPS 光谱 Mo 和 b S元素，分别

图 3a 显示了纵向 I -V 制备的 MoS2/n 曲线 -GaAs 异质结。两个直径约 0.5 mm 的 In 电极分别压在 MoS2 薄膜表面和 GaAs 背面。插图显示了纵向测量的电路原理图。正向电压定义为施加在顶部 In 电极上的正偏置电压。如图所示，制备的 MoS2/n -GaAs 异质结表现出明显的整流行为。整流比（I + /我 - ) 在 ± 1.0 V 下测得约为 520。在我们的实验中，In/MoS2 和 In/GaAs 都属于欧姆接触，它们的 I -V 曲线几乎是线性的。因此，纠正 I -V 异质结中的特性主要源于 MoS2/GaAs 接触。图 3b 显示了横向 I -V 制备的 MoS2/n 曲线 -GaAs 异质结。将两个直径约 0.5 mm 的 In 电极压在 MoS2 薄膜表面。顶部插图显示了横向测量的电路原理图。从图中，I -V 曲线显示电流随着电压的增加略微非线性增加。这表明 MoS2/n 处的反型层 -GaAs 界面形成[18]。底部插图显示 I -V 本征 GaAs 衬底上的单层 MoS2 薄膜的曲线。从图中，一个几乎线性的I -V 可以看到曲线，进一步表明 In/MoS2 接触的欧姆性质。在+ 0.5 V的电压下，单个MoS2的电流约为3.1 × 10 ⁻² μA，远小于 MoS2/n 中的值 -GaAs，大约 2.3 μA。因此，与 MoS2 薄膜相比，MoS2/n 处的反型层 -GaAs 界面为 MoS2/n 的横向测量期间的载流子传输提供了一个电阻率低得多的路径 -GaAs异质结。

一 纵向I -V 制备的 MoS2/n 曲线 -GaAs 异质结。插图显示了纵向测量的电路原理图。 b 横向I -V 制备的 MoS2/n 曲线 -GaAs 异质结。顶部插图显示了横向测量的电路原理图。底部插图显示 I -V 本征GaAs衬底上MoS2薄膜的曲线

图 4a 显示了用于测量制造的 MoS2/GaAs 异质结的 LPE 的电路原理图。将两个直径为 0.5 mm 的 In 电极压在 MoS2 薄膜的表面上以进行 LPE 的测量。距离 (2L ) 之间的电极是 ~ 1.0 毫米。在我们的测量过程中，电极 A 和 B 分别连接到吉时利 2000 伏特计的正极和负极探针。图 4b 显示了 MoS2/n 的 LPE 曲线 -GaAs 和 MoS2/p -GaAs 异质结，分别。 MoS2 薄膜的厚度为~ 30.0 nm。当直径约 0.1 mm 的激光光斑部分照射 MoS2 薄膜表面时，可以在 MoS2/n 中观察到大的 LPE -GaAs 异质结。如图所示，当激光光斑在 MoS2 表面上的电极 A 和 B 之间移动时，LPE 显示出对激光光斑位置的近似线性依赖性。从图中我们可以看出LPV取决于激光光斑的位置。这可以符合扩散理论[16]，

其中 K 0, 2L , d , 和 x 分别代表比例系数、两个电极之间的距离、载流子扩散长度和激光光斑位置。图中拟合良好的结果清楚地表明 MoS2/n 中的 LPE -GaAs 异质结产生于横向扩散流动和激发载流子远离激光位置的复合。如图所示，当光点位于两个电极之间的中心时，LPV 值为零，这可以归因于载流子的扩散对称性。当灯位靠近A电极时，LPV为正，反之亦然。这表明 MoS2/n 中的 LPE -GaAs 异质结是由空穴型光激发载流子引起的。当激光照射最靠近电极时获得最大 LPV。根据我们的测量，在 MoS2/n 的线性区域中，最大横向光电压（LPVmax）约为 208.2 mV -GaAs 异质结。相比之下，MoS2/p 的 LPV -GaAs异质结要小得多，LPVmax仅为7.3 mV，如图所示。从图中我们可以看出 MoS2/p 的 LPE -GaAs 异质结由电子型光激发载流子决定。此外，MoS2/p 的非线性 LPE 特性 -GaAs异质结从图中可以看出，当激光光斑在A电极和B电极之间移动时。

一 LPE 测量电路示意图。 b MoS2/n 的 LPE 曲线 -GaAs 和 MoS2/p -GaAs异质结，分别

图 5 显示了 MoS2/n 的 LPE 灵敏度 -GaAs 异质结与激光功率和厚度 (d MoS2 薄膜的 MoS2)。灵敏度由 S 定义 =LPVmax/L .显然，S 最初随着激光功率的增加而急剧增加，但当功率进一步增加时会慢慢饱和。这种饱和可能是由于光激发空穴的复合率随着照射区域中激光强度的增加而迅速增加引起的 [20]。如图所示，即使在 100.0 μW 的微弱激光照射下也能获得明显的 LPE 和高灵敏度。从图中可以看出灵敏度对 MoS2 薄膜厚度的显着依赖性。当 d MoS2 =~ 10.0 nm, S =165.4 mV mm ⁻¹ 在 100.0 μW 的激光照射下。随着薄膜厚度的增加，S 逐渐增加。当 d MoS2 =30.0 nm, S 达到 416.4 mV mm ⁻¹ .这种灵敏度比报道的 MoS2/Si 器件大得多 [17, 18]。 d 之后 MoS2> 30.0 nm, S 随着 MoS2 厚度的进一步增加而降低。当 d MoS2 =90.0 nm，S = 283.3 mV mm ⁻¹ .因此，为了获得最大的 LPE 和灵敏度，在制备的 MoS2/n 中存在最佳的 MoS2 薄膜厚度 -GaAs，约 30.0 nm。

制备的 MoS2/n 正负灵敏度的依赖性 -GaAs异质结对激光功率的影响

图 6a 显示了 Si 衬底上的 MoS2 薄膜的 UPS 光谱。功函数 (W ) 可以通过最高结合能的截止值与激发辐射的光子能量之间的差值来计算。从图中，W =5.24 eV 可以获得。距离 (∆E ) 价带 (E V) 和费米能级 (E F) 的 MoS2 薄膜可以从起始能量中提取，如插图所示。 ΔE MoS2 薄膜的电压约为 0.51 eV。使用石英衬底上 MoS2 薄膜的透射光谱数据，(αhν ) ² 绘制为光子能量的函数 hν , 其中 h 是普朗克常数和 ν 是光子频率。 α 是吸收系数，由 αd 计算 =ln(1/T ) [21]，其中d 和 T 分别为薄膜的厚度和透光率。带隙 (E g) 可以从 hν 上的线的截距确定薄膜的 轴，E g =1.54 eV，如图 6b 所示。基于这些能带参数，p 可以确定 MoS2 膜的 - 型行为，这可以通过霍尔测量进一步证明。霍尔结果表明空穴型载流子的浓度和迁移率约为3.8×10 ¹⁵ 厘米 ⁻³ 和 11.2 厘米 ² V ⁻¹ s ⁻¹ , 分别。

一 GaAs 上的 MoS2 薄膜的 UPS 光谱，显示薄膜的费米能级以及费米能级与导带顶部边缘之间的距离。 b (αhν ) ² ~hν 相同沉积条件下石英衬底上MoS2薄膜的紫外光谱曲线

为了阐明 LPE 在 MoS2/GaAs 异质结中的机理，基于图 6 中的结果构建了界面处的能带图。这里，E g =1.42 eV 和 E 对于 n，F =4.17 eV -GaAs 被考虑到构建能带结构 [22]。当 MoS2 薄膜沉积在 GaAs 衬底上时，由于 E 较高，电子在界面处从 GaAs 流入 MoS2 薄膜 GaAs 的 F。当费米能级相等且 MoS2/GaAs p 时，流动过程停止 -n 制造结，如图7a所示。因此，一个内置字段 (E bi) 在 MoS2/GaAs 异质结的界面处形成。 E bi =[E F(n -GaAs) - E F(MoS2)]/e =1.07 V，它从 GaAs 指向 MoS2 薄膜。因此，不对称的纵向 I -V 曲线如图 3a 所示。由于存在强E bi，在界面附近积累了大量的空穴型载流子，并在n中形成了反型层 -GaAs 衬底靠近界面，如图 7b 所示。与二维空穴气体 (2DHG) [23] 类似，由于空穴的高片层浓度 (p+ ）。从图 3b 中，我们可以看到反型层的导电性远大于 MoS2 薄膜。因此，MoS2 薄膜同一侧的两个电极之间的传导由反转层而不是 MoS2 薄膜主导。当结部分被激光照射时，光被吸收并且可以分别诱导 MoS2 薄膜和 GaAs 中的电子 - 空穴对，如图 7c 所示。然而，可以预期大部分激光会被 GaAs 衬底吸收，因为它的厚度要大得多，带隙更小。在激光照射下，电子-空穴对只能在照射区域内被激发并被E空间隔开 双。由于 E 的方向 bi 从 GaAs 指向 MoS2，光激发的空穴流向界面并进入 GaAs 中的反型层，如图 7c 所示。反型层中的光激发空穴从照射点横向扩散到两个电极。两个电极收集的激发空穴的浓度随着距照射点的距离不同而不同。因此，在电极之间形成了大的 LPV，并且在异质结中观察到了 LPE。这与图 3b 的拟合结果以及 MoS2/n 中的 LPE 一致 -GaAs 异质结主要来源于载流子扩散。当 MoS2 薄膜沉积在 p 上时 -GaAs 衬底，a p -p 形成异质结，如图7d所示。 E F(p -GaAs) =5.32 eV 用于能带图中 [22]。 E p 的 bi -p 可以计算出异质结，0.08 V，其方向从薄膜指向衬底。由于 E bi，电子型载流子聚集在异质结界面附近，形成反型层。因此，在 MoS2/GaAs p 中获得了由光激发电子扩散引起的 LPE -p 异质结，如图 4 所示。 然而，由于 V 较弱，反型层中累积载流子的浓度可能较低 p 中的 bi 仅为 0.08 V -p 异质结与 p 相比 -MoS2/n -GaAs 结。这增加了反型层中光激发电子传输的难度。严重的是，肖特基势垒可以在 n 之间形成 -type 反转层和 p -MoS2 薄膜，如图 7e 所示。 p的这些特点 -MoS2/p -GaAs 结抑制光激发电子在电极处的收集。因此，LPE 可以大大减少。如图 4b 所示，p 的 LPVmax -p 结仅为 7.3 mV，而在 p 中达到 208.2 mV -n 交界处。

一 MoS2/n 的能带排列 -GaAs 异质结和 b 接口处电气接触的相应图示。 c MoS2/n中LPE的机理 -GaAs 异质结。 d MoS2/p 的能带排列 -GaAs 异质结和 e 接口处电接触的对应图示

在报道的异质结型 PSD 中，LPE 可以通过改变帽层的厚度来调整 [20]。这可以通过考虑薄膜中光激发载流子的复合和内建场的演变来很好地理解。在 MoS2/GaAs p -n 结，光生载流子的复合可以增强，因为在它们被电极收集之前，厚的 MoS2 膜中的传输路径很长。这降低了异质结的 LPE。相反，更薄的薄膜可以大大降低复合，从而导致 LPE 增加。然而，当 MoS2 厚度小于临界值时，E 随着二硫化钼厚度的进一步降低，界面处的bi 降低[24]。这可以减少光生电子-空穴对的分离，并且 LPE 降低。因此，获得最高LPE的MoS2薄膜的最佳厚度约为30 nm。

结论

总之，通过磁控溅射技术在 GaAs 衬底表面沉积了 MoS2 薄膜。在制备的 MoS2/n 中获得了大的 LPE -GaAs 异质结，LPV 对激光照射位置的依赖性显示出良好的线性。由于在界面处形成强内建场，MoS2/n -GaAs异质结表现出416.4 mV mm ^-1 的高灵敏度 , 而该值仅为 7.3 mV mm ⁻¹ 对于 MoS2/p -GaAs。我们的结果进一步表明，LPE 对 MoS2 薄膜的厚度表现出明显的依赖性，并且在制造的 MoS2/n 中获得最高 LPE 的 MoS2 薄膜厚度约为 30.0 nm。 -GaAs 异质结。基于界面能带对齐阐明了MoS2/GaAs器件中LPE的形成机制。

缩写

∆E ：

E 之间的距离 V 和 E

d 二硫化钼：

MoS2薄膜厚度

E 双:

内置字段

E :

导带级

E :

费米能级

E 克：

能带隙

E :

价带能级

I -V ：

电流-电压

LPE：

横向光伏效应

LPV：

横向光电压

LPVmax :

最大横向光电压

MoS2：

二硫化钼

PSD：

位置敏感探测器

UPS：

紫外光电子能谱

W ：

工作职能