通过施加偏压控制多层MoS₂光晶体管的光响应率

摘要

我们研究了施加偏压变化时多层MoS₂光晶体管光响应率的变化。当光生空穴被MoS₂捕获并从源极吸引电子时，可获得光响应增益。因此，光响应率可通过栅极或漏极偏压控制。当栅极偏压低于阈值电压时，由于MoS₂与源电极间存在大能垒，只有少量电子扩散进入沟道。在此区间，随着栅极或漏极偏压增加，势垒降低，注入沟道的电子数呈指数增长，导致光响应率指数级上升。反之，当栅极偏压高于阈值电压时，光响应率受载流子漂移速度而非势垒高度影响，因为漏电流受载流子漂移速度限制。因此，随漏极偏压增加，载流子速度先线性增加后因速度饱和而趋于饱和，光响应率也呈现线性增加后饱和的特性。

背景

近年来，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沟道材料受到广泛关注。特别是单层MoS₂晶体管表现出优异的电学特性：高电子迁移率（~200 cm²/V·s）、高开关电流比（~10⁸）和低亚阈值摆幅（~70 mV/dec）。此外，MoS₂因其带隙能量（单层直接带隙1.8 eV，块体间接带隙1.2 eV）和大吸收系数（单层α=1-1.5×10⁶ cm⁻¹，块体0.1-0.6×10⁶ cm⁻¹），作为光电器件的吸光层备受瞩目。因此，MoS₂光晶体管在关态具有低暗电流，在光照下具有高光响应率。通过引入石墨烯、量子点、有机染料、WS₂、ZnO、p型MoS₂等额外层，或改变栅介质，已有许多研究提升光响应率；但缺乏对MoS₂光晶体管增益控制和深层机理的研究。实现增益控制可可靠检测宽范围光强，且无需额外制造工艺即可提升增益。基于此，我们研究了多层MoS₂光晶体管中漏极或栅极偏压控制的光响应率。

方法

图1a展示制备的多层MoS₂光晶体管示意图。在重掺杂n型硅衬底上生长250 nm SiO₂。多层MoS₂薄片从块体MoS₂（Graphene Supermarket, USA）通过常规胶带法机械剥离并转移至SiO₂/Si衬底。源漏电极经光刻图案化，电子束蒸发沉积Ti/Au（5/80 nm）。图1b为制器件的AFM图像：沟道长宽分别为7.31和4.74 µm，插图显示多层MoS₂厚度约49 nm，对应约75层（单层厚度取0.65 nm）。

结果与讨论

图1c展示不同漏极偏压（3, 9, 15, 21, 27 V）下多层MoS₂光晶体管的暗态传输特性。使用Keithley 2614B双通道源表在室温N₂环境下测量电流-电压特性，开关比约10⁵。根据公式（1），从漏极偏压3 V时的跨导估算场效应迁移率为18.6 cm²/V·s：μ_eff = (g_m·L)/(C_OX·W·V_DS)，其中L为沟道长，W为沟道宽，氧化层电容C_OX=1.38×10⁻⁸ F/cm²。明显观察到：随漏极偏压增加，阈值电压降低，亚阈值摆幅增大，表明两者均受漏极偏压影响。通常阈值电压由公式（2）估算：V_th = V_GS(0) - V_DS/2，其中V_GS(0)为传输曲线线性部分延长线与x轴的截距。但公式（2）假设漏极偏压足够小以忽略速度饱和效应（V_DS ≪ L·v_sat/μ_eff = 10 V），因此难以在大漏极偏压下提取精确阈值电压。为此我们仅提取亚阈值摆幅变化以确认漏极偏压对沟道的影响。图1d显示不同漏极偏压下从log(I_D)-V_GS曲线线性部分斜率提取的亚阈值摆宽变化：漏极偏压从3 V增至27 V时，亚阈值摆幅从1.44 V/dec增至3.14 V/dec。这意味着大漏极偏压降低了MoS₂沟道与Au源电极间的势垒，削弱了栅极偏压对沟道的控制能力。

为研究MoS₂光晶体管的响应度，我们使用466 nm波长的二极管泵浦固体激光器，在不同光照功率密度下测量传输特性。图2a显示漏极电压3 V、栅极电压-30 V恒定时，暗态及三种光强（5, 7, 10 mW/cm²）下的传输特性。随着光强增加，传输曲线左移，表明光生空穴被MoS₂沟道捕获，相当于施加了正栅极偏压。图2b展示恒定栅极偏压-30 V下，随光强和漏极偏压增加的光电流和响应度变化。光电流为光照下漏电流与暗电流之差（I_ph = I_illuminated - I_dark），响应度定义为I_ph/P_light。随漏极偏压和光强增加，光电流和响应度均增大。考虑466 nm激光对应100%外量子效率（EQE）的响应度为0.375 A/W，实测响应度在漏极偏压15 V、光强8 mW/cm²时超过此值，表明该多层MoS₂光晶体管存在光响应增益，且受漏极偏压影响。

为观察栅极电压对光响应率的影响，我们在5 mW/cm²光照下，漏极电压从3 V增至27 V测量光电流（图3a）。随栅极偏压增加，关态（V_GS < V_th）下光电流指数增长，开态（V_th < V_GS）下趋于饱和。原因在于：当栅极偏压-30 V（关态）下光照时（图3b），MoS₂沟道与源/漏（Au）电极间形成大势垒，维持沟道电中性所需的电子（被捕获空穴破坏中性）难以注入沟道。但随栅极偏压增加至阈值电压，势垒变小，电子易扩散进入MoS₂沟道，故阈值电压前光电流指数增长。反之，栅极偏压大于阈值电压（开态）时，势垒充分降低，光电流饱和（图3c）。还注意到光电流在关态和开态均随漏极偏压增加而增大，这意味着与仅在关态测量的传统光晶体管不同，随漏极电压增加，开态下也存在光响应增益。

为验证漏极偏压对关态和开态光响应率的影响，我们固定栅极偏压分别为-30 V（关态）和27 V（开态），在光照下测量光响应特性。图4a显示光电流变化，图4b显示关态下响应度和特定探测率随漏极偏压变化。特定探测率由公式（3）提取：D* = R·A¹/²/(2·q·I_dark)¹/²，其中R为响应度，A为MoS₂沟道面积，q为单位电荷，I_dark为暗电流。关态下，光电流和响应度随漏极偏压指数增长。漏极偏压3 V、光强10 mW/cm²时光电流（响应度）为4.28×10⁻¹⁴ A（0.12 A/W），增至27 V时锐增为1.57×10⁻⁸ A（4.53 A/W）。这表明关态下光电流和响应度随漏极偏压指数增长。反之，开态下光电流（图4c）和响应度（图4d）随漏极偏压线性增加并趋于饱和。恒定光强5 mW/cm²下，漏极偏压从3 V增至27 V，光电流（响应度）从2.9×10⁻⁶ A（1677 A/W）增至1.5×10⁻⁵ A（8667 A/W），约5倍增长。探测率呈现与响应度相同趋势。关态（图4b）下，漏极偏压从3 V增至27 V，探测率从1.76×10⁸ Jones增至2.87×10⁸ Jones（光强10 mW/cm²）。开态（图4d）下，漏极偏压从3 V增至27 V，探测率从6.14×10⁹ Jones增至8.63×10⁹ Jones（光强5 mW/cm²）。因此，关态下扩散电流主导，响应度随漏极偏压指数增长；开态下漂移电流主导，响应度随漏极偏压线性增长后饱和。

观测到的多层MoS₂光晶体管漏极偏压依赖特性可用图5的示意性能带图解释。光照下，MoS₂沟道产生电子-空穴对。光生空穴被MoS₂沟道捕获，破坏沟道电中性。带正电的沟道从源极吸引更多电子以维持中性，源极供应电子多少决定光响应增益。当栅极偏压低于阈值时，MoS₂沟道与源极间存在大势垒（图5a），漏电流受势垒上扩散限制。随漏极偏压增加（图5b），MoS₂沟道弯曲降低势垒，利于为中性供应电子，故光响应率随漏极偏压指数改善（图4b）。当栅极偏压高于阈值时，MoS₂与源极间势垒充分低（图5c），漏电流受沟道内载流子漂移限制，载流子漂移速度成为光响应率变化主因。在此区间，随漏极偏压增加（图5d），载流子速度和光响应率线性增加，在某漏极偏压（~10 V）饱和（图4d）。

结论

我们制备了多层MoS₂基光晶体管，详细研究了其漏极或栅极偏压控制的光响应率。偏压依赖的光响应率变化可分两类：栅极偏压小于阈值电压（关态）和大于阈值电压（开态）。关态时，因MoS₂与源电极间大势垒，少量电子扩散入沟道；随栅极或漏极偏压增加，势垒降低，为中性注入沟道的电子数增加，光响应率指数增长。开态时，光响应率受载流子速度而非势垒高度影响，因电流受载流子漂移速度限制；随漏极偏压增加，载流子速度线性增加后饱和，光响应率也线性增加后饱和。我们理解了多层MoS₂基光晶体管随栅极或漏极偏压的响应度变化规律，可据此控制增益，扩大MoS₂光晶体管应用范围，并根据用途和环境实现最优工作。