用于高性能光电检测的接口诱导 WSe2 面内同质结

介绍

近十年来，二维过渡金属二硫属化物（TMDCs）由于其特殊的性质而引起了极大的关注。高平面内迁移率、可调带隙、机械灵活性、强光物质相互作用和易于加工使它们在未来的纳米光电子器件中极具竞争力 [1,2,3,4,5,6,7,8,9, 10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20]。特别是，二硒化钨 (WSe2) 是一种双极半导体，具有容易的载流子类型操纵，在基于结的光电探测器中具有显着的潜在应用 [21,22,23,24,25,26,27,28]。到目前为止，仅在 WSe2 中构建结的主要策略包括化学掺杂和静电门控。例如，最近报道了分子内 WSe2 p-n 结 [26]。 WSe2内的n区和p区分别通过聚乙烯亚胺化学掺杂和背栅控制形成。 p-n 结的响应率为 80 mA W ⁻¹ 和 200 μs 的响应时间。孙等人。用十六烷基三甲基溴化铵掺杂WSe2形成分子内p-n结，响应度和响应时间为30 A W ^-1 和~7 ms，分别[27]。鲍尔等人。展示了通过施加两个相反极性的栅极偏置的静电门控实现的横向 WSe2 p-n 结。 210 mA W ⁻¹ 的响应度 已获得 [28]。然而，由于不可避免的化学杂质和必要的多重偏置设置，这些方法使得基于结的器件的制造和应用变得复杂和困难。组装各种二维材料以构建垂直范德华异质结构，如 WSe2/MoS2 结 [29] 已成为开发新型光电探测器的流行方法。但是，在这种配置中，不同层状材料之间的载流子传输过程存在界面缺陷，这限制了器件响应速度。对于金属和二维材料之间形成的肖特基结，肖特基势垒高度通常由费米能级钉扎决定，这是不可控的，对器件的响应性有很大影响。此外，报道的作品似乎无法兼具高响应性和快速响应速度。

在这里，我们展示了一种实现面内 WSe2 同质结的简便且更有效的方法。在该架构中，部分 WSe2 通道位于 Si/SiO2 衬底上，另一部分位于 h-BN 薄片上。这种方案在浮动/半浮动栅极存储器中很常见，其中采用 h-BN 作为栅极介电层 [30, 31]。存储在 h-BN 层一侧的电荷可以调节另一侧材料的电导率。然而，在我们的工作中，h-BN 薄片作为完美的隔离器用于消除 WSe2 通道上的界面选通效应。 WSe2 的极性仅在 Si/SiO2 衬底上，可以通过界面栅极进行调制。因此，这些器件在零偏压下以光伏 (PV) 模式运行良好。同时，它在高偏压下表现出光电导 (PC) 特性。 1.07 A W ⁻¹ 的响应度 具有超过 10 ¹² 的卓越探测能力 琼斯和 106 μs 的快速响应时间同时获得，无需复杂的设备设计和引入额外化学杂质的风险。

结果与讨论

图 1a 显示了面内 WSe2 同质结的示意图。可以看出，一部分 WSe2 薄片放置在 h-BN 薄片上（WSe2-h），另一部分直接接触 Si/SiO2 衬底（WSe2-S）。 h-BN的作用是隔离WSe2-h上Si/SiO2衬底的界面栅（IG）。因此，WSe2-h 和 WSe2-S 之间同质结的形成主要依赖于 IG 调节 WSe2-S 的极性。 IG 是由 SiO2 表面捕获的电荷产生的。这将在下面详细讨论。图 1b 显示了该设备的光学图片。通过电子束光刻、金属化和剥离工艺制备了四个电极（E1-E4、Ti/Au）。材料的厚度由原子力显微镜（AFM）表征（见图1c）。与 Si/SiO2 衬底（白色虚线）直接接触的 WSe2（h-BN）薄片的高度测量为 65（23）nm（见图 1d、e）。可以看出，WSe2 (h-BN) 和 Si/SiO2 衬底之间的高度分布存在斜率而不是陡峭的台阶。这可能是由于材料边缘残留的光刻胶所致。图 1f 显示了 WSe2 和 h-BN 薄片的拉曼光谱。对于WSe2，一阶E2g和A1g拉曼模式明显区分~250 cm ⁻¹ ，表明 WSe2 具有多层形态 [32, 33]。对于 h-BN，E2g 模式的拉曼峰在 ~ 1370 cm ⁻¹ 被观察到。由于h-BN的带隙大，拉曼信号较WSe2弱[34]。

平面内 WSe2 同质结的示意图。 一 设备的结构。 b 设备的光学图像。 WSe2 的一部分接触 h-BN 薄片，而另一部分接触 Si/SiO2 衬底。 c 设备的 AFM 图像。白色虚线表示提取 h-BN（左）和 WSe2（右）厚度的位置。对于 E1 和 E2 之间的通道，平均宽度（长度）为 ~ 19.15 (~ 6.33) μm。对于 E2 和 E3 之间的通道，平均宽度（长度）为 ~ 23.15 (~ 5) μm。对于 E3 和 E4 之间的通道，平均宽度（长度）为 ~ 22 (~ 5.38) μm。 d , e WSe2 和 h-BN 薄片的高度分布。 f WSe2和h-BN薄片在532 nm激光激发下的拉曼光谱

为了探究底物对 WSe2 的影响，分别研究了 WSe2-S 和 WSe2-h 的转移特性。如图 2a 所示，两条转移曲线都表现出双极行为，并且与 WSe2-h（红色）的曲线相比，WSe2-S（黑色）的曲线中可以观察到明显的滞后。 WSe2-h 的电流高于 WSe2-S。 WSe2-h 曲线的陡峭斜率表示相对较大的跨导，这与载流子迁移率成正比。对于 WSe2-S，滞后归因于 SiO2 表面的电荷俘获 [35,36,37,38]。当 V g 从 − 30 扫到 0 V，负 V g 使 WSe2 填充有孔并将一些孔驱动到 SiO2 中（见图 2b）。 SiO2 中被捕获的空穴产生一个正局域栅极，即 IG，以调节 WSe2 电导作为回报（弱耗尽效应）。因此，V的电荷中性点 g 出现在 − 5 V 附近。类似地，当 V g 从 30 扫到 0 V，正V g 使 WSe2 充满电子并驱动一些电子进入 SiO2（见图 2c）。 SiO2 中被捕获的电子产生负 IG 以调节 WSe2 电导作为回报（相同的弱耗尽效应）。所以，V的电荷中性点 g 出现在 5 V 附近。对于 WSe2-h，h-BN 薄片在 V 下抑制了 WSe2 和 SiO2 之间的载流子转移 g 调制。这就是 WSe2-h 曲线中不明显滞后的原因。因此，可以简单地利用IG形成面内同质结。

传输特性。 一 我 d-V WSe2-S（黑线）和 WSe2-h（红线）的 g 曲线。 V 的扫掠方向 g 用箭头表示。 b , c 滞后现象的物理解释。箭头表示由 V 感应的电场方向 G。红色和蓝色球体分别代表空穴和电子

图 3a 显示了 I d-V d 器件在 V 的明暗条件下的曲线 g =0 V。源漏电压施加在电极 E2 和 E3 上（见插图）。可以看出，短路电流（在 V d =0 V) 随入射功率增加，表明 PV 效应。有趣的是，曲线还显示了 V 处的 PC 特性 d =± 1 V。对于前者，光电流归因于同质结。如图 3b 所示，虽然 V d 和 V g 设置为 0 V，SiO2 中一些已经被捕获的空穴形成一个小的正 IG 来调制 WSe2-S。所以，n ^- 型 WSe2-S 和本征 WSe2-h（由于被 h-BN 薄片隔离而没有 IG 的影响）构成面内同质结。在光照下，光激发的电子-空穴对将被同质结的内置场分开。虽然我 d-V d 曲线在零偏压下表现出良好的 PV 特性，同质结没有表现出整流行为可能是由于与外部施加的 V 相比相对较弱的内置场 d.对于后者，整个 WSe2 薄片作为光电导体以高偏置响应光信号。 V 将光激发的载流子驱动到电极 d.因此，图 3a 中的光响应是 PV 和 PC 模式协同效应的结果。不同 V 的响应度作为光功率的函数 d 总结在图 3c 中，由 R 给出 =我 ph/PA , 其中 I ph 是光电流，P 是功率强度，A 是探测器的有效光敏面积 [39, 40]。在计算过程中，有效光敏面积，即 E2 和 E3 之间的 WSe2 部分为 115.75 μm ² . 1.07 A W ⁻¹ 的响应度 和 2.96 A W ⁻¹ 获得 V d 分别为 0 V 和 1 V。比检测率 (D ^* ) 作为一个重要参数决定了光电探测器响应微弱光信号的能力。假设来自暗电流的散粒噪声是主要贡献，D ^* 可以定义为 D ^* =RA ^1/2 /(2eI 暗) ^1/2 ，其中 R 是响应度，A 是有效感光面积，e 是电子电荷，I 黑暗是暗电流 [41, 42]。受益于极低的 I 黑暗，D ^* 3.3 × 10 ¹² 琼斯 (1 琼斯 =1 cm Hz ^1/2 W ⁻¹ ) 和 1.78 × 10 ¹¹ 琼斯为 V 实现 d 分别为 0 V 和 1 V。此外，已经研究了作为关键品质因数的响应时间。如图 3d 所示，在 V 处获得的高和低电流状态 d =0 V 已经通过光调制获得。瞬态光响应表现出高度稳定和可重复的特性。图 3e 给出了时间响应的单个调制周期。上升时间 (t r)，定义为电流从 10% I 增加所需的时间 峰值达到 90% I 峰值，被发现为 ~ 106 μs，下降时间 (t f)，类似地定义，被发现为~91 μs。图 S1 显示了在 V 处获得的设备的时间响应 d =1 V。t r 和 t 发现 f 分别为~105 μs 和~101 μs。表 1 总结了报告的不同方法形成的 WSe2 同质结。显然，我们工作中的设备具有高D ^* , 可比 R ，而且响应速度比较快。此外，图 S2 显示了其他三个器件的光响应特性。可以分别在零偏压和高偏压下观察到不同的 PV 和 PC 电流。所有WSe2同质结的检测率均高于10 ¹² jones，响应时间略高于100 μs，证明我们的设备可以很好地重复高性能光电检测。

在 E2 和 E3 之间获得的同质结的光响应性能。 一 漏极电流与施加在具有可变光功率强度 (637 nm) 的电极 E2 和 E3（见插图）上的源极-漏极电压有关。 b V同质结的形成机制 g =0 V 和 V d =0 V。c 作为光功率函数的响应度。 d , e 在 V 处获得的设备的时间响应 对于 637 nm 照明，d =0 V。用示波器监测电流的时间依赖性

图 4a 和 b 显示了 I d-V d 分别为 WSe2-h 和 WSe2-S 的特性。 WSe2-h 和 WSe2-S 的曲线都表现出 PC 特性，并且在零偏压下没有光电流。事实上，Ti/WSe2/Ti 应该形成金属/半导体/金属结构，其中包含两个具有相反内置场的肖特基结。所以，我 d-V d 曲线应与零点交叉并表现出 PC 行为。在我们的例子中，由于 WSe2-h 和 WSe2-S 的功函数不同，存在两个非对称肖特基接触，即 E2/WSe2-S 和 E3/WSe2-h，如图 4c 所示。在零偏压下，源自肖特基结的净光电流方向与同质结相反，图 3a 所示的实验结果与后者一致。因此，WSe2-h和WSe2-S之间形成的同质结是造成光电流短路的原因。

肖特基结对光响应的影响。 一 我 d-V WSe2-h 的 d 曲线，在光照（637 nm）下，在电极 E3 和 E4（见插图）上施加源漏电压。 b 我 d-V WSe2-S 的 d 曲线，在光照（637 nm）下，在电极 E1 和 E2（见插图）上施加源漏电压。 c E2/WSe2-S和E3/WSe2-h的非对称肖特基接触同质结器件在零偏压下的能带示意图

为了进一步证明零偏压下的光响应归因于同质结，通过测量 I 来研究输出特性 d-V d 电极 E1 和 E4 上施加源漏电压时器件的曲线。如图 S3a 所示，曲线与图 3a 中的情况相同，也表现出 PV 和 PC 特性。如上所述，对于前者，光电流归因于 WSe2-S 和 WSe2-h 之间形成的面内同质结的内置场。对于后者，光电流归因于外部施加的 V 光激发载流子的收集 d.不同 V 的响应度作为光功率的函数 d 总结在图 S3b 中。 0.51 A W ⁻¹ 的响应度（探测度） (2.21 × 10 ¹² jones) 和 3.55 A W ⁻¹ (5.54 × 10 ¹² jones) 为 V 获得 d 分别为 0 V 和 1 V。在计算过程中，有效光敏面积，即 E1 和 E4 之间的 WSe2 部分为 519.4 μm ² .在零偏压下测量的响应时间如图 S3c 和 3d 所示，其中上升时间为 289 μs，下降时间为 281 μs。对于 V d 为 1 V（图 S3e 和 3f），上升和下降时间分别为 278 μs 和 250 μs。响应速度比在电极E2和E3之间测得的略慢，因为相对较长的导电通道增加了光载流子传输距离和光载流子与缺陷相互作用的概率。

结论

总之，我们已经通过界面栅极电调谐部分 WSe2 薄片，证明了面内 WSe2 同质结。与利用两个栅极偏置的化学掺杂和静电门控等现有方法相比，这种设计为实现 WSe2 同质结提供了更容易的途径。在光照条件下，该器件产生明显的短路光电流，检测率为 3.3 × 10 ¹² 琼斯。在高偏压下，该器件呈现光电导特性并产生光电流，检测率为 1.78 × 10 ¹¹ 琼斯。同时还获得了快至 106 μs 的响应时间。该研究为开发基于WSe2的高性能光电探测器提供了一种高效可靠的途径。

方法

WSe2 和 h-BN 块状材料均购自上海昂威科技有限公司。首先，将 h-BN 和 WSe2 薄片机械剥离到 p ⁺ -Si/SiO2 (300 nm) 衬底和聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 层，分别。然后，使用显微操作器将粘附在 PDMS 上的 WSe2 薄片通过显微镜放置到目标 h-BN 薄片上以定位位置。部分 WSe2 薄片与 h-BN 薄片重叠。最后，WSe2 薄片通过加热基板从 PDMS 中释放出来。电极 (Ti/Au) 通过电子束光刻、金属化和剥离工艺制备。使用Agilent B1500半导体参数分析仪和波长为637 nm的激光二极管进行光响应测量。

数据和材料的可用性

相应作者可根据合理要求提供支持这项工作结果的数据。

缩写

TMDC：

过渡金属二硫属化物

PV：

光伏

PC：

光电导

原子力显微镜：

原子力显微镜

IG：

接口门

PDMS：

聚二甲基硅氧烷