具有不对称接触的空气稳定MoTe₂光晶体管产生强光伏响应和亚毫秒响应

摘要

我们报道一种结合不对称源漏接触的空气稳定、p型、多层MoTe₂光晶体管制造。使用Au电极，器件在关态表现出显著光伏响应。扫描光电流显微镜空间分辨光电流映射揭示MoTe₂/电极界面因金属诱导掺杂形成势阶。这些势阶在短路或低源漏偏压下主导载流子分离，产生净光电流。器件在短路模式响应更快，上升和下降时间低于1 ms，光响应延伸至近红外1550 nm。

背景

二维(2D)材料如石墨烯和过渡金属二硫族化合物(TMDs)通过提供具有可观带隙和卓越机械柔性的原子级薄半导体改变纳米科学。其中2H-MoTe₂以其体材料0.83 eV间接带隙和单层时1.1 eV直接带隙而著称。该材料已探索用于自旋电子学、场效应晶体管(FETs)、光探测器和太阳能电池。MoTe₂器件电学性能取决于金属接触质量。合适电极材料可诱导p型或n型掺杂并实现低势垒欧姆接触。虽然许多研究比较接触金属，但鲜有系统研究不对称接触几何如何影响器件物理，特别是光伏光探测器中。

我们制造一种空气稳定、p型、多层MoTe₂光晶体管，具有不对称源/漏接触截面。利用扫描光电流显微镜(SPCM)绘制空间势能分布，证明不对称接触产生非零净光电流和光伏行为，甚至在关态。器件实现亚毫秒光响应并工作至1550 nm，适合通信应用。

结果与讨论

在300 nm SiO₂/p⁺-Si基底上制造两个背栅多层MoTe₂器件(D1和D2)。光学显微镜、AFM和拉曼光谱确认MoTe₂沟道质量和厚度。图1所示D1器件沟道长度10 µm，MoTe₂薄膜厚23 nm。源极和漏极接触截面分别为6.5 µm和4.8 µm，提供显著不对称性(见附件1: 图S1)。

电学表征(图1c)显示清晰p型行为，1 V源漏偏压下开关比6.8×10³。场效应迁移率14.8 cm²/Vs。即使降低偏压至100 mV，开关比仍保持6.0×10³以上(附件1: 图S3)。器件展现最小滞后并保持空气稳定性。

637 nm照射下(图2)，源漏电流随激光功率增加。栅极电压设5 V时晶体管进入关态仍显示可测光电流，证实光伏作用。开路电压(V_OC)饱和50 mV，短路电流(I_SC)随照明功率从0增至4.2 mW时从0升至1.6 nA。重要的是V_OC和I_SC在施加偏压极性反转时不变，确认光电流源于本征光伏效应而非热电或光热电伪影(图2d)。

SPCM映射(图3)在1200 nm波长下揭示短路条件下MoTe₂/电极界面附近出现强光电流峰。峰值随背栅电压从-5 V增至+5 V向沟道中心移动，表明低偏压下接触诱导势阶主导载流子分离。增大源漏偏压时(图4)，光电流峰渐进移至沟道中心，确认施加偏压最终超越接触诱导势阶。

这些观察表明不对称接触几何即使器件电学关态也产生净光电流。光伏响应在不同不对称度器件(D2和附件1: 图S8额外样品)中稳健且跨宽光谱范围持久。

时间分辨测量(图5a)显示零源漏偏压下上升时间20 µs、下降时间127 µs，而1 V偏压下分别增至210 µs和302 µs。此行为反映从接触主导向沟道主导光电流生成转变。光谱响应测量(图5b)确认器件从1200 nm至1550 nm敏感，覆盖标准光通信窗口。

结论

我们制造了一种空气稳定、p型MoTe₂光晶体管，具有不对称源/漏接触，在关态表现出显著光伏响应。扫描光电流显微镜揭示MoTe₂/电极界面金属诱导势阶是低偏压下载流子分离关键驱动因素。器件实现亚毫秒光响应并跨可见光和近红外光谱至1550 nm工作，凸显其在低功耗光探测器和光通信应用潜力。

方法/实验

源极、漏极和栅极电极在300-nm SiO₂/p⁺-Si基底上经标准UV光刻图案化，随后选择性刻蚀栅极下SiO₂和电子束蒸发5 nm/100 nm Cr/Au。多层MoTe₂晶体从化学气相传输生长的2H-MoTe₂单晶(TeCl₄传输剂，750°C→700°C，3天)机械剥离获得。MoTe₂薄片用聚乙烯醇(PVA)作转移介质转移至图案化电极上，随后水溶解和异丙醇冲洗。AFM(SPA-300HV)和拉曼光谱(514-nm激光，100×物镜)表征厚度和晶体质量。

电学和光响应测量用Agilent B1500A半导体分析仪和Lakeshore探针台在637 nm激光照明(光斑>200 µm)下进行。时间分辨光电流用DL1211前置放大器和Keysight MSOX3024T示波器记录。空间分辨光电流用自制SPCM装置，配备SuperK EXTREME白光激光，经SuperK SELECT滤波器调谐，20×物镜聚焦。光电流经DL1211前置放大器和SR830锁相放大器以1 kHz斩波频率提取。

缩写

2D

二维

2H-MoTe₂

2H型二碲化钼

AFM

原子力显微镜

FET

场效应晶体管

I_PC

光电流

I_SC

短路电流

I_sd

源漏电流

PVA

聚乙烯醇

TMDs

过渡金属二硫族化合物

V_bg

背栅电压

V_OC

开路电压

V_sd

源漏电压

τ_fall

下降时间

τ_rise

上升时间