다층 MoS2 광트랜지스터의 바이어스 종속 광응답

초록

우리는 다층 MoS₂에서 광반응의 변화를 연구했습니다. 적용된 바이어스가 변경됨에 따라 광 트랜지스터. 광 반응 이득은 MoS₂ 소스에서 전자를 끌어옵니다. 따라서 광응답은 게이트 또는 드레인 바이어스에 의해 제어될 수 있습니다. 게이트 바이어스가 임계 전압보다 낮으면 MoS₂ 사이의 큰 장벽으로 인해 소량의 전자가 채널로 확산됩니다. 및 소스 전극. 이 영역에서 게이트 또는 드레인 바이어스가 증가함에 따라 MoS₂ 채널과 소스는 낮아지고 채널에 주입된 전자의 수는 기하급수적으로 증가하여 결과적으로 광응답이 기하급수적으로 증가합니다. 반면에 게이트 바이어스가 임계 전압보다 높으면 드레인 전류가 캐리어 드리프트 속도에 의해 제한되기 때문에 광 응답성은 장벽 높이보다 캐리어 속도에 의해 영향을 받습니다. 따라서 드레인 바이어스가 증가함에 따라 캐리어 속도는 선형적으로 증가하고 캐리어 속도 포화로 인해 포화되며, 따라서 광응답도 선형적으로 증가하여 포화됩니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

최근에는 이황화몰리브덴(MoS₂ ) 및 텅스텐 디셀렌화물(WSe₂ )은 차세대 나노전자소자의 채널재료로 상당한 주목을 받고 있다[1,2,3,4,5,6]. 특히, MoS₂를 사용하는 박막 트랜지스터 높은 전자 이동도(~ 200cm² )와 같은 흥미로운 전기적 특성을 나타냅니다. V⁻¹ s⁻¹ ), 고전류 ON/OFF 비율(~ 10⁸ ) 및 낮은 하위 임계값 스윙(~ 70mV dec⁻¹ ) 단일 레이어 MoS₂에서 트랜지스터[7]. 또한 MoS₂ 밴드갭 에너지(단층 MoS₂ 1.8 eV[8]의 직접적인 밴드갭과 벌크 MoS₂를 가집니다. 1.2 eV의 간접 밴드갭[9]) 및 큰 흡수 계수(α) =1–1.5 × 10⁶ cm⁻¹ 단층 [10] 및 0.1–0.6 × 10⁶ cm⁻¹ 대량 [11]). 따라서 MoS₂를 사용하는 광 트랜지스터 OFF 상태에서 암전류가 낮고 감광성이 높습니다. MoS₂의 성능 광 트랜지스터는 그래핀[12,13,14,15], 양자점[16,17,18], 유기 염료[19], WS₂와 같은 추가 층을 도입하여 개선되었습니다. [20,21,22], ZnO [23] 및 p형 MoS₂ [24] 또는 게이트 유전체를 변경하여 [7, 25, 26]. 이와 같이 추가적인 제조공정을 통해 감광성을 향상시키기 위한 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 게인 제어 및 MoS₂에 대한 구체적인 이해에 대한 연구가 부족합니다. 광 트랜지스터. 게인 제어가 활성화되면 광범위한 광도를 안정적으로 감지할 수 있으며 추가 제조 공정 없이 게인을 높일 수 있습니다. 이러한 맥락에서 우리는 다층 MoS₂에서 바이어스(드레인 또는 게이트) 제어 광응답을 조사했습니다. 광 트랜지스터.

방법

그림 1a는 제작된 다층 MoS₂의 개략도를 보여줍니다. 포토 트랜지스터. 우리는 250 nm SiO₂를 성장시켰습니다. 많이 n-도핑된 실리콘 기판에 다층 MoS₂ 박편은 대량 MoS₂에서 기계적으로 박리되었습니다. (Graphene Supermarket, USA) 및 SiO₂로 이전 기존의 스카치 테이프 방법을 사용하여 /Si 기판 [27]. 소스 및 드레인 전극은 포토리소그래피에 의해 패터닝되었고 Ti/Au(5/80 nm)는 전자빔 증발기를 사용하여 패터닝된 위에 증착되었다. 그림 1b는 제작된 포토트랜지스터의 AFM(Atomic Force Microscope) 이미지를 보여줍니다. 채널 길이와 너비는 각각 7.31 및 4.74 μm이며 삽입은 다층 MoS₂의 두께를 보여줍니다. 한 층의 두께를 0.65nm로 가정할 때 약 49nm로 약 75개 층에 해당합니다[28, 29].

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조작된 MoS₂ 포토트랜지스터와 전기적 특성. 아 제작된 다층 MoS₂의 개략도 포토 트랜지스터. ㄴ 포토트랜지스터의 AFM(Atomic Force Microscope) 이미지. 삽입된 부분은 AFM 이미지의 빨간색 선을 따라 표시된 횡단면 플롯입니다. ㄷ 다층 MoS₂의 전달 특성 어둠 속에서 3, 9, 15, 21, 27V의 드레인 전압을 갖는 포토트랜지스터. d 드레인 바이어스 증가에 따른 하위 임계값 스윙의 변화

결과 및 토론

그림 1c는 다층 MoS₂의 전달 특성을 보여줍니다. 어둠 속에서 3, 9, 15, 21, 27V의 드레인 바이어스를 갖는 포토트랜지스터. 제작된 다층 MoS₂의 전류-전압 특성 광트랜지스터는 실온 및 N₂에서 듀얼 채널 소스 미터(Keithley 2614B)를 사용하여 측정되었습니다. 주변. ON/OFF 비율은 약 10⁵ 입니다. . 전계 효과 이동성은 18.6cm² 로 추정되었습니다. 다음 방정식 [26]에서 3V의 드레인 바이어스에 대한 /V s:

$$ {\mu}_{\mathrm{eff}}=\left({g}_m\cdot L\ \right)/\left(\ {C}_{\mathrm{OX}}\cdot W\cdot {V}_{\mathrm{DS}}\right) $$ (1)

여기서 L 채널 길이, W 는 채널 너비이고 산화물 커패시턴스 C _OX 1.38 × 10⁻⁸ 입니다. F/cm² . 드레인 바이어스가 증가하면 임계값 전압이 감소하고 하위 임계값 스윙이 증가한다는 것이 분명히 관찰되었습니다. 이는 임계값 전압과 하위 임계값 스윙이 드레인 바이어스의 영향을 받는다는 것을 나타냅니다. 일반적으로 임계 전압은 다음 방정식으로 추정됩니다.

$$ {V}_{\mathrm{th}}={V}_{\mathrm{GS}}(0)-{V}_{\mathrm{DS}}/2 $$ (2)

여기서 V _GS (0)은 전송 곡선의 선형 부분에 있는 추세선과 x 사이의 절편입니다. -중심선. 그러나 식. (2) 속도 포화 효과가 무시할 수 있도록 작은 드레인 바이어스를 가정합니다(V _DS 〈<엘 ⋅ v _토 /μ _에프 =10V, 여기서 ν _토 포화 속도 및 μ _에프 전계 효과 이동성); 따라서 큰 드레인 바이어스에 대한 정확한 임계 전압을 추출하기가 어렵습니다. 이러한 이유로 우리는 하위 임계값 스윙의 변화만 추출하고 채널에 대한 드레인 바이어스의 영향을 확인했습니다. 그림 1d는 log(I _디 ) − (V _GS ) 다른 드레인 바이어스에 대한 그래프. 드레인 바이어스가 3V에서 27V로 증가할 때 하위 임계값 스윙은 1.44V/decade에서 3.14V/decade로 증가했습니다. 이는 드레인 바이어스가 크면 MoS₂ 채널 및 Au 소스 전극, 따라서 게이트 바이어스의 채널 제어성을 약화시킵니다.

MoS₂의 반응성을 조사하기 위해 포토 트랜지스터에서 우리는 466nm 파장 DPSS(diode-pumped solid-state) 레이저를 사용하여 다양한 조명 전력 밀도에서 전달 특성을 측정했습니다. 그림 2a는 다층 MoS₂의 전달 특성을 보여줍니다. 어두운 곳과 세 가지 다른 광도(5, 7, 10mW/cm² )에서 광 트랜지스터 ), 3V의 드레인 전압에서. 광도가 증가함에 따라 전달 곡선이 왼쪽으로 이동하여 광 생성된 정공이 MoS₂에 갇혀 있음을 보여줍니다. 채널 및 양의 게이트 바이어스 역할을 합니다[13, 30, 31]. 그림 2b는 − 30V의 일정한 게이트 바이어스에서 빛의 세기와 드레인 바이어스가 증가할 때 광전류와 응답도의 변화를 보여줍니다. 광전류는 조명 아래의 드레인 전류와 어두운 곳(I _ph =나 _조명 − 나 _어두운 ), 응답도는 I로 정의됩니다. _ph /피 _빛 , 여기서 나 _ph 는 광전류 및 P _빛 MoS₂에 조명된 광 전력입니다. 채널. 드레인 바이어스와 광도가 증가함에 따라 광전류 및 응답도가 증가합니다. 파장이 466nm인 레이저를 고려할 때 외부 양자 효율(EQE)의 100%에 해당하는 응답도는 0.375A/W이며, 드레인 바이어스가 15V이고 광 강도가 8mW/cm² . 이것은 이 다층 MoS₂에 광반응 이득이 있음을 의미합니다. 광 트랜지스터 및 드레인 바이어스의 영향을 받습니다.

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MoS₂의 광반응 특성 조명 강도에 따라 광 트랜지스터. 아 상수 V를 갖는 전달 특성 _DS =3V 조명(5, 7, 10mW/cm² ) ). ㄴ 다른 드레인 바이어스(V _DS =9, 15V) 및 일정한 게이트 바이어스(V _GS =− 30 V) 인가

게이트 전압에 따른 감광도 변화를 관찰하기 위해 5mW/cm2에서 드레인 전압을 3V에서 27V로 증가시키면서 광전류를 측정했습니다.² 조명 조명(그림 3a). 인가된 게이트 바이어스가 증가함에 따라 OFF 상태에서 광전류가 기하급수적으로 증가합니다(V _GS <V _번째 ) ON 상태에서 포화 상태가 됩니다(V _번째 <V _GS ). 인가된 게이트 바이어스가 - 30V(OFF 상태)일 때 조명(그림 3b)할 때 MoS₂ 사이에 큰 장벽이 형성되기 때문입니다. 채널 및 소스/드레인(Au) 전극. 따라서 트랩된 정공에 의해 파괴된 채널 중립성을 유지하는 데 필요한 전자가 채널에 잘 주입되지 않습니다. 그러나 게이트 바이어스가 임계 전압까지 증가함에 따라 장벽이 작아지고 전자가 MoS₂로 쉽게 확산될 수 있습니다. 채널. 따라서 광전류는 문턱 전압 이전에 기하급수적으로 증가합니다. 반면에 게이트 바이어스가 문턱 전압보다 커지면, 즉 소자가 켜질 때 장벽이 충분히 낮아지고 광전류가 포화된다(그림 3c). 또한 드레인 바이어스가 증가함에 따라 OFF 및 ON 상태 모두에서 광전류가 증가하는 것으로 나타났습니다. 즉, OFF 상태에서만 측정되는 기존 광트랜지스터의 광응답 특성[26, 32]과 달리 ON 상태에서도 드레인 전압이 증가함에 따라 광응답 이득이 있음을 의미합니다.

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MoS₂의 광반응 적용된 바이어스에 따른 포토트랜지스터. 아 다양한 드레인 바이어스(3, 9, 15, 21, 27V) 및 일정한 광도(5mW/cm² )에서의 광전류 ) 게이트 바이어스에 따라 다릅니다. b, c 다층 MoS₂의 에너지 밴드 다이어그램 포토트랜지스터

MoS₂의 감광성에 대한 드레인 바이어스의 영향을 확인하기 위해 광트랜지스터가 OFF 및 ON 상태에서 광응답 특성은 빛을 조사하고 OFF 상태 및 ON 상태에 해당하는 - 30 및 27V의 게이트 바이어스에 고정하여 광응답 특성을 측정했습니다. 그림 4a는 광전류의 변화를 나타내고, 그림 4b는 OFF 상태에서 드레인 바이어스에 따른 응답도와 비검출도를 나타낸다. 특정 검출성은 방정식 [26, 33]에서 추출됩니다.

$$ {D}^{\ast }=R\cdot {A}^{1/ 2}/{\left(2\cdot q\cdot {I}_{\mathrm{어두운}}\right)}^ {1/2} $$ (3)

여기서 R 는 응답성, A입니다. MoS₂의 영역입니다. 채널, q 는 단위 전하이고 I _어두운 암전류이다. OFF 상태에서 광전류와 응답성은 드레인 바이어스가 높을수록 기하급수적으로 증가합니다. 따라서 4.28 × 10⁻¹⁴ 인 광전류(반응도)는 드레인 바이어스가 3V이고 광 강도가 10mW/cm2일 때 A(0.12A/W) , 1.57 × 10⁻⁸ 으로 급격히 증가 27V 드레인 바이어스가 인가되었을 때 A(4.53A/W). 이러한 결과는 광전류 및 응답성이 드레인 바이어스의 증가에 따라 기하급수적으로 증가함을 보여줍니다. 반면에 ON 상태에서는 광전류(그림 4c)와 응답도(그림 4d)가 선형적으로 증가하고 드레인 바이어스가 증가함에 따라 포화 상태가 됩니다. 광도가 5mW/cm로 일정할 때² 드레인 바이어스는 3V에서 27V로 증가했으며 광전류(반응도)는 2.9 × 10⁻⁶ 에서 5배 증가했습니다. A(1677 A/W) ~ 1.5 × 10⁻⁵ A(8667A/W). 또한, 탐지성은 반응성과 동일한 경향을 보였다. OFF 상태(그림 4b)에서는 1.76 × 10⁸ 에서 증가했습니다. 존스에서 2.87 × 10⁸ 10mW/cm2 의 광도에서 드레인 바이어스가 3V에서 27V로 증가했을 때 Jones . ON 상태(그림 4d)에서는 6.14 × 10⁹ 에서 증가했습니다. 존스에서 8.63 × 10⁹ 5mW/cm2 의 광도에서 드레인 바이어스가 3V에서 27V로 증가했을 때 Jones . 따라서 OFF 상태에서는 확산 전류가 지배적이므로 드레인 바이어스가 증가함에 따라 응답성이 기하급수적으로 증가합니다. 반면에 드리프트 전류는 ON 상태에서 지배적입니다. 따라서 응답성은 드레인 바이어스가 증가함에 따라 선형적으로 증가합니다.

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4가지 다른 조도(5, 7, 8, 10mW/cm² )에서 측정된 광반응 특성 ) 드레인 바이어스가 증가할 때. 아 광전류, b 응답성 및 OFF 상태의 특정 탐지성. a의 삽입 그리고 b 광전류 및 응답도의 로그 스케일로 각각 표시됩니다. ㄷ 광전류, d ON 상태에서의 반응성 및 특이성

다층 MoS₂의 관찰된 드레인 바이어스 종속 특성 포토트랜지스터는 그림 5의 개략적인 에너지 밴드 다이어그램으로 설명할 수 있습니다. 다층 MoS₂ 채널이 조명되면 전자-정공 쌍이 채널에서 광 생성됩니다. 광 생성 구멍은 MoS₂에 갇혀 있습니다. 따라서 채널의 중립성을 깨뜨립니다. 그러면 양전하를 띤 채널이 소스에서 더 많은 전자를 끌어당겨 중성을 유지하고 소스에서 얼마나 많은 전자가 공급되는지에 따라 광응답 이득이 결정됩니다. 적용된 게이트 바이어스가 임계값 미만이면 MoS₂ 사이에 큰 장벽이 있습니다. 도 5a에 도시된 바와 같이 채널 및 소스 및 드레인 전류는 장벽을 통한 확산에 의해 제한된다. 적용된 드레인 바이어스가 증가함에 따라(그림 5b) MoS₂의 굽힘으로 인해 장벽이 낮아집니다. 채널 중립성을 위한 전자 공급을 용이하게 합니다. 따라서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 광응답성은 드레인 바이어스에 대해 기하급수적으로 향상된다. 적용된 게이트 바이어스가 임계값보다 높으면 MoS₂ 사이의 장벽 소스가 충분히 낮으면(그림 5c), 드레인 전류는 채널의 캐리어 드리프트에 의해 제한됩니다. 따라서, 캐리어 드리프트 속도는 광감응도 변화의 주요 요인입니다. 이 영역에서 적용된 드레인 바이어스가 증가함에 따라(그림 5d), 캐리어 속도와 광응답은 선형적으로 증가하고 그림 4d와 같이 특정 드레인 바이어스(~ 10V)에서 포화됩니다.

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다층 MoS₂의 에너지 밴드 다이어그램 OFF(V)의 낮은 드레인 바이어스에서 조명 아래 광 트랜지스터 _GS <V _번째 ) 상태(a ) 및 OFF 상태의 하이 드레인 바이어스(b ). ON(V _GS> V _번째 ) 상태(c ) 및 ON 상태의 하이 드레인 바이어스(d )

결론

우리는 다층 MoS₂를 제작했습니다. 기반 광트랜지스터에 대해 연구하고 바이어스(드레인 또는 게이트) 제어 광응답성을 자세히 조사했습니다. 바이어스에 따른 감광도의 변화는 게이트 바이어스가 문턱 전압보다 작은 경우(OFF 상태)와 게이트 바이어스가 문턱 전압보다 큰 경우(ON 상태)의 두 가지 경우로 분류할 수 있다. 게이트 바이어스가 임계 전압보다 작을 때 MoS₂ 사이의 큰 장벽으로 인해 소량의 전자가 채널로 확산됩니다. 및 소스 전극. 게이트 또는 드레인 바이어스가 증가함에 따라 장벽의 높이가 감소하고 중성을 위해 채널에 주입되는 전자의 수가 증가합니다. 그 결과, 광 반응성이 기하급수적으로 증가합니다. 반면에 게이트 바이어스가 임계 전압보다 크면 전류가 캐리어 드리프트 속도에 의해 제한되기 때문에 광 응답성은 장벽의 높이보다 캐리어 속도에 의해 영향을 받습니다. 드레인 바이어스가 증가함에 따라 캐리어 속도는 선형으로 증가하고 포화됩니다. 따라서, 광응답성은 선형적으로 증가하고 포화된다. 다층 MoS₂의 반응성 변화를 이해할 수 있었습니다. - 게이트 또는 드레인 바이어스에 따른 광트랜지스터 기반. 따라서 이득을 제어하여 MoS₂의 적용 범위를 늘릴 수 있습니다. 용도와 환경에 따라 최적의 광트랜지스터로 동작합니다.

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