비대칭 접촉 양식이 있는 다층 MoTe2 광트랜지스터의 광기전력 응답

결과 및 토론

우리는 두 개의 후면 게이트 다층 MoTe₂를 제작합니다. 광트랜지스터(D1 및 D2)의 광반응을 측정합니다. 장치는 광학 현미경으로 식별되며 해당 MoTe₂ AFM(Atomic Force Microscopy) 및 Raman 스펙트럼을 사용하여 두께와 품질을 특성화합니다. 모든 측정은 주변 조건에서 수행됩니다. 그림 1a는 D1의 광학 이미지(왼쪽)와 AFM 이미지(오른쪽)를 보여줍니다(D2는 추가 파일 1에 표시됨:그림 S1. 달리 지정되지 않는 한 다음 데이터는 D1에서 수집되고 D2의 데이터는 추가 파일에 표시됩니다. 1). 소자는 소스 전극, 드레인 전극 및 다층 MoTe₂의 채널 샘플로 구성됩니다. SiO₂에 /p ⁺ -Si 기판. SiO₂ 두께가 300nm인 필름은 유전체이고 p ⁺ -Si는 백 게이트 전극으로 작동합니다. D1의 세부 사항은 AFM을 사용하여 특성화되며 다층 MoTe₂ 소스 및 드레인 전극에 걸쳐 있습니다. 채널 길이는 10μm입니다. 모테₂ 채널의 샘플은 두께가 약 23nm이고(높이 프로필은 추가 파일 1:그림 S2에 표시됨) MoTe₂의 너비 -소스 및 MoTe₂ -드레인 접점 단면적은 각각 6.5 및 4.8μm입니다. 그림 1b는 MoTe₂의 라만 스펙트럼을 보여줍니다. 견본. A_1g의 특성 라만 활성 모드 (172cm ⁻¹ ), E ¹ _2g (233cm ⁻¹ ) 및 B ¹ _2g (289cm ⁻¹ )가 명확하게 관찰되어 MoTe₂의 우수한 품질을 확인합니다. 채널에서.

아 다층 MoTe₂의 광학 이미지 및 AFM 이미지 포토 트랜지스터. 눈금 막대는 5μm입니다. ㄴ 다층 MoTe₂의 라만 스펙트럼 514nm 레이저 여기를 갖는 포토트랜지스터. ㄷ 전송 특성 및 d 다층 MoTe₂의 출력 특성 포토트랜지스터

전기 측정은 다층 MoTe₂ 포토트랜지스터는 그림 1c와 같이 p형으로 음의 게이트 전압에서 온 상태이고 양의 게이트 전압에서 오프 상태입니다. 현재 온오프 비율은 6.8 × 10 ³ 입니다. 소스-드레인 전압 V일 때 _sd 1V입니다. 전계 효과 이동도(μ)는 14.8cm ² 입니다. /V는 전송 특성에 따라 달라집니다. 바이어스 전압 V일 때 _sd 1V에서 100mV로 감소, 온 전류 및 오프 전류 모두 감소, 온-오프 비율은 여전히 ​​6.0 × 10 ³ 이상입니다. , 추가 파일 1:그림 S3(a) 및 (b)에 표시된 대로. 게이트 전압이 − 20에서 20V로 스윕된 다음 다시 − 20V로 바뀌면 다층 MoTe₂ 광트랜지스터는 간단한 제조 공정과 폴리머가 없는 MoTe₂의 이점을 얻을 수 있는 작은 히스테리시스(추가 파일 1:그림 S3(c) 참조) 및 공기 안정 p형 전도도를 나타냅니다. 견본. 우리는 또한 다른 다층 MoTe₂도 제작합니다. 추가 파일 1:그림 S4와 같이 각각 두께가 5, 10, 11, 12, 15.7, 38nm인 포토트랜지스터. 그들은 모두 공기 안정한 p 형 전도도를 보여줍니다. 그림 1d는 다층 MoTe₂의 출력 특성을 보여줍니다. 백 게이트 전압으로서의 트랜지스터(V _bg )는 − 20에서 4 V까지 다양합니다. 보시는 바와 같이 응답은 기본적으로 선형이며, 특히 V의 낮은 바이어스 전압에서 더욱 그렇습니다. _sd , 이는 Au와 MoTe 사이에 낮은 쇼트키 장벽이 있음을 나타냅니다₂ 공중에서.

그림 2는 다층 MoTe₂의 광반응을 보여줍니다. Agilent B1500A 반도체 분석기와 Lakeshore 프로브 스테이션을 결합하여 수행되는 주변 조건에서 637nm 연속파 레이저로 조명을 가할 때 광트랜지스터. 레이저 스폿 크기는 직경이 200μm 이상이며 장치는 균일한 조도의 강도로 덮여 있습니다. 백게이트 종속 및 전력 종속 광응답은 추가 파일 1:그림 S5에 나와 있습니다. 그림 2a와 같이 백 게이트 전압이 0V일 때 소스-드레인 전류(I _sd ) 레이저 출력에 따라 증가합니다. 나 _sd 대 V _sd 서로 다른 조명 전력 수준의 곡선은 모두 V에서 만납니다. _sd =0 V, 이는 |I의 로그 플롯에서 명확하게 관찰됩니다. _sd | 그림 2a의 삽입 그림에 나와 있습니다. V일 때 _bg =5 V, 광트랜지스터는 오프 상태이고(그림 1c 참조) I의 전류 _sd 조명 레이저 전력에 따라 증가하여 그림 2b와 같이 명확한 비선형 거동을 나타냅니다. 또한 광트랜지스터는 0이 아닌 개방 회로 전압(V _OC ) 및 단락 전류(I _SC ) 다층 MoTe₂의 광전지 반응의 증거인 레이저 조명 사용 포토 트랜지스터. 그림 2c는 V를 보여줍니다. _OC 그리고 나 _SC 조명 전력의 함수로. V _OC 50mV(조도 전력이 500μW 이상)에서 변경되지 않고 유지되고 |I _SC | 레이저 출력이 0에서 4175μW로 증가하면 0에서 1.6nA로 증가합니다. 전압 방향을 변경하면 V _OC 그리고 나 _SC 그림 2d와 같이 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. V _sd 소스 전극에 부하된 전압을 나타내고 V _ds 드레인 전극에 로드되고 해당 전류는 I로 표시됩니다. _sd 그리고 나 _ds , 각각. 그림 2d의 삽입 이미지는 전압 및 전류 방향을 보여줍니다. 전압이 소스 또는 드레인 전극에 로드되는지 여부, V _OC 소스 전압 및 해당 I에 대해 50mV의 _SC 드레인 전극에서 소스 전극으로 흐르는 680pA의 전류는 모두 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. 이것은 다층 MoTe₂의 광전지 응답을 확인합니다. 광 트랜지스터.

다층 MoTe₂의 광반응 주변 조건에서 637nm 파장 레이저로 조명된 광 트랜지스터. 아 나 _sd 대 V _sd V에서의 곡선 _bg =0 V는 조명 전력이 증가함에 따라 증가합니다. ㄴ 나 _sd 대 V _sd V에서의 곡선 _bg =5 V는 조명 전력이 증가함에 따라 증가합니다. ㄷ V _OC 그리고 나 _SC 조명 전력의 함수로. d 소스 및 드레인 전극에 각각 부하된 바이어스 전압에 대한 출력 전류

광반응의 메커니즘, 특히 광기전 반응을 밝히기 위해 우리는 공간 전위 프로파일을 얻고 공간적으로 분해된 광반응을 분석하는 데 도움이 되는 주사 광전류 현미경(SPCM) 연구를 수행합니다. SPCM은 주변 조건에서 집에서 만든 스캐닝 광전류 설정을 사용하여 수행됩니다. SuperK EXTREME 초연속 백색광 레이저에 의해 광학 여기가 제공됩니다. 파장 범위는 400~2400nm입니다. SuperK SELECT 다중 라인 가변 필터를 사용하여 파장을 조정할 수 있는 빔은 20배 대물 렌즈를 사용하는 장치에 초점을 맞춥니다. 검류계 미러 위치 지정 시스템은 레이저 빔이 장치를 스캔하여 광전류 맵을 얻도록 하는 데 사용됩니다. 반사광과 광전류는 1KHz의 초퍼 주파수에서 전류 전치 증폭기와 잠금 증폭기로 기록됩니다.

그림 3은 여기 파장이 1200nm인 D1의 주사 광전류를 보여줍니다. 레이저 스폿 직경은 반사 이미지에서 파생된 약 4.4μm입니다(추가 파일 1:그림 S7 참조). 그림 3a는 전기적 설정과 함께 광학 이미지를 보여줍니다. 나 _PC 측정은 소스 전극이 접지되고 I인 단락 상태에서 수행됩니다. _PC 드레인 전극에서 수집됩니다. 소스에서 드레인 전극으로 흐르는 전류는 양입니다. 그림 3b는 게이트 전압(V _bg ) 각각 − 5, 0, 5 V입니다. I _PC 반대 극성은 MoTe₂ 사이의 인터페이스 부근에서 강합니다. 및 전극. V일 때 _bg - 5에서 0V로 변경됩니다. I _PC 패턴은 변하지 않지만 강도는 감소합니다. V _bg 5V로 추가로 증가합니다. 나 _PC 극성을 전환할 뿐만 아니라 최대 I _PC 또한 접촉 인터페이스에서 채널로 이동합니다. 그림 3c는 I를 보여줍니다. _PC V에서 그림 3b의 검은색 파선에서 가져온 프로필 _bg =− 5, 0, 5V입니다. 나는 _PC MoTe₂ 사이의 인터페이스 근처에서 광범위한 강도 피크를 가짐 및 V의 전극 _bg =− 5 및 0 V 동안 피크는 접촉 인터페이스에서 약 3 μm 떨어져 있고 더 좁아지는 채널로 이동합니다.

게이트 전압의 함수로서 D1의 공간 분해 광전류 이미지. 아 전기 설정과 함께 광학 이미지. ㄴ V의 공간 분해 광전류 이미지 _bg =− 5, 0, 5V입니다. ㄷ 나 _PC 그림 3b의 검은색 점선에서 수집한 프로필. d V의 해당 잠재적 프로필 _bg =− 5, 0, 5V입니다. 스케일 바는 모든 수치에서 5μm입니다.

나의 존재 _PC 피크는 단락 상태에서 잠재적인 단계가 있음을 나타냅니다. 나에 따르면 _PC 분포, 우리는 그림 3d와 같이 장치 채널을 따라 해당 잠재적인 프로필을 플로팅합니다. V에서 _bg =− 5 및 0 V, 잠재적 단계는 MoTe₂ 사이의 접촉 인터페이스 근처에 있습니다. 그리고 전극은 V의 채널로 이동합니다. _bg =5 V. 이전 연구[41]에 따르면 Au 전극 접촉은 p-도핑을 도입하고 MoTe₂의 페르미 준위를 고정합니다. 접촉 부분에서. 따라서 전극/MoTe₂ 부근에 전위 단계가 형성됩니다. 채널의 페르미 레벨이 게이트 전압에 의해 변조되기 때문에 인터페이스. V에서 _bg =0 V, 약한 나 _PC 전극에서 MoTe₂로 흐르는 것이 관찰됩니다. 채널. 이는 광여기된 전자가 근처 전극으로 이동하고 정공이 MoTe₂로 이동함을 의미합니다. 채널. V에서 _bg =− 5 V, MoTe₂의 구멍 밀도 채널이 향상되고 전극/MoTe₂ 부근에서 더 큰 전위 단계를 유도합니다. 상호 작용. 광여기된 전자-정공 쌍은 효과적으로 분리될 수 있으며 I _PC 증가합니다. V일 때 _bg =5 V, 더 많은 전자가 MoTe₂에 주입됩니다. 채널 및 잠재적인 우물이 채널에 형성됩니다. 전극의 정전기로 인해 전위 단계가 전극에서 멀어지고 채널에 나타납니다. 광여기된 전자는 MoTe₂로 이동합니다. 채널과 구멍은 가까운 전극을 향합니다. 나 _PC V에서와 비교하여 방향을 변경합니다. _bg =− 5 및 0 V.

그림 4는 공간 해석 I를 보여줍니다. _PC 다른 V에서 _sd V로 _bg =0 및 5 V 각각. 그림 4a는 전기적 설정과 함께 광학 이미지를 보여줍니다. V _sd 소스 전극에 로드되고 I _PC 드레인 전극에서 수집됩니다. 소스에서 드레인 전극으로 흐르는 전류는 양입니다. 그림 4b는 I를 보여줍니다. _PC V의 함수로 _sd V에서 _bg =0 V. V일 때 _sd =0, − 0.01 및 0.01 V, 강한 I _PC MoTe₂ 부근에서 발생 /electrodes 인터페이스에서 V로 채널 중심으로 이동합니다. _sd 0.1V로 증가합니다. 유사한 경향이 V에서 관찰됩니다. _bg =5 V를 V로 _sd 그림 4c와 같이 증가합니다. 그림 4d는 명확한 I를 보여줍니다. _PC V로 장치 채널 중앙의 피크 _sd 0.5V로 증가합니다. I _PC I _PC V의 변동 추세 _sd 증가합니다. 둘 다 최대 I를 나타냅니다. _PC 단락 상태 또는 작은 V로 접점 인터페이스 부근에서 생성 _sd 치우친. 바이어스된 전압이 증가하면 광전류 피크가 디바이스 채널의 중앙으로 이동합니다.

V의 함수로서 D1의 공간 분해 광전류 이미지 _sd . 아 전기 설정과 함께 광학 이미지. ㄴ V의 공간 분해 광전류 이미지 _bg =0 V 및 V _sd =− 0.1, 0.01, 0, 0.01, 0.1 V입니다. ㄷ V의 공간 분해 광전류 이미지 _bg =5 V 및 V _sd − 0.1에서 0.1 V까지 다양합니다. d V의 공간 분해 광전류 이미지 _bg =5 V 및 V _sd =0.5 V. e 나 _PC V에서 프로필 _bg =0 V 및 f 나 _PC V에서 프로필 _bg =5 V는 그림 4a에서 점선을 따라 취한 것입니다. 스케일 바는 모든 수치에서 5μm입니다.

이러한 발견을 바탕으로 우리는 전극/MoTe₂ 부근에 형성된 전위 단계가 MoTe₂의 도핑으로 인한 인터페이스 금속 접촉에 의해 단락 상태 또는 작은 V로 광여기된 전자-정공 쌍의 분리를 지배합니다. _sd 치우친. 따라서 나 _PC MoTe₂에서 -소스가 MoTe₂보다 큽니다. -MoTe₂에서 더 큰 접촉 인터페이스로 인한 드레인 -소스, 순 전류는 0이 아닌 반면 0이 아닌 순 전류는 I보다 작습니다. _sd V에서 _bg =− 5 및 0 V(on-state), V보다 큼 _bg =5 V(오프 상태). 따라서 우리는 명확한 I를 관찰합니다. _SC V에서 _bg =5 V(그림 2b 및 추가 파일 1:그림 S6(b)–(f)). 따라서 나 _SC 및 해당 V _OC 잠재적인 단계와 비대칭 접촉의 결과입니다. 또한 추가 파일 1:D1과 비교한 그림 S1과 같이 더 비대칭 접촉 단면을 가진 D2 샘플을 제작합니다. V와 유사한 광전지 응답을 보여줍니다. _OC V일 때 최대 150mV _bg =5V이고 조명 레이저 파장은 637nm입니다. 조명 파장이 830, 940, 1064, 1312nm로 변할 때 D2는 V에서 유사한 광기전 응답을 나타냅니다. _bg =5 V(추가 파일 1:그림 S6 참조). 또한 추가 파일 1:그림 S8에 표시된 것처럼 다른 4개의 기기도 제작합니다. 이 기기는 D1 및 D2에 표시된 것과 유사한 동작을 보여줍니다. 이 데이터는 다층 MoTe₂ 포토 트랜지스터는 MoTe₂ 사이의 비대칭 접촉 단면의 결과입니다. -소스 및 MoTe₂ -드레인 전극.

마지막으로 다층 MoTe₂의 광응답 시간과 스펙트럼 범위를 테스트합니다. 포토 트랜지스터. 그림 5a는 V에서 시간 분해 광전류를 보여줍니다. _bg =5 V 및 V _sd =0 및 1 V, 각각 전류 전치 증폭기 및 오실로스코프를 사용하여 기록됩니다. 여기 레이저는 637nm 파장에서 2ms 너비의 구형파입니다. V에 따라 수집된 전류 _sd =0과 1 V는 반대 방향을 나타내며, 이는 Fig. 2b의 데이터와 일치하며 V _OC 및 V _sd . 광응답의 상승 시간과 하강 시간은 총 광전류의 10~90% 사이의 시간으로 정의됩니다. 보시는 바와 같이 상승 시간 \( \left({\tau}_{\mathrm{rise}}^0\right) \) 은 20μs이고 하강 시간 \( \left(\ {\tau}_{\mathrm {fall}}^0\ \right) \)는 V에서 127μs입니다. _sd =0 V이고 상승 시간 \( \left({\tau}_{\mathrm{rise}}^1\right) \)은 210μs이고 하강 시간 \( \left({\tau}_{\ mathrm{fall}}^1\right) \)는 V에서 302μs입니다. _sd =1 V, 둘 다 V보다 큽니다. _sd =0 V. 이는 광전류 생성 메커니즘이 다르기 때문입니다. V에서 _sd =0 V, 전극/MoTe₂ 부근에서 잠재적인 계단형 광전류가 생성됨 상호 작용. V에서 _sd =1 V, 장치 채널에서 광전류가 생성되고 광여기된 캐리어가 채널을 통과하여 전극에 도달해야 하므로 전극/MoTe 근처에서 생성하는 것보다 시간이 더 오래 걸립니다.₂ 상호 작용. 따라서 장치는 V에서 더 긴 광응답 시간을 나타냅니다. _sd =1 V V보다 _sd =0 V. 가시 대역에서 작업하는 것 외에도 다층 MoTe₂ 광트랜지스터는 근적외선 대역에서 광응답을 갖는다. 그림 5b는 광반응이 1200nm에서 1550nm까지 확장될 수 있음을 보여줍니다. SuperK EXTREME 초연속 백색광 레이저가 제공하는 광학 여기는 스폿 직경이 4.4μm인 20배 대물 렌즈를 사용하여 장치 채널 중심에 초점을 맞춥니다. 데이터는 다층 MoTe₂ 포토트랜지스터는 통신 대역에서 사용할 수 있습니다.

다층 MoTe₂의 광응답 시간 및 스펙트럼 범위 포토 트랜지스터. 아 V에서 시간 분해 광전류 _bg =5 V 및 V _sd =0V(검은색 선) 및 1V(빨간색 선) ㄴ 다양한 광여기 파장에서의 광반응