고성능 광검출을 위한 인터페이스 유도 WSe2 면내 동종접합

결과 및 토론

그림 1a는 평면 내 WSe₂의 개략도를 보여줍니다. 동형 접합. WSe₂ 플레이크는 h-BN 플레이크에 배치됩니다(WSe₂ -h) 다른 부분은 Si/SiO₂와 접촉합니다. 직접 기판(WSe₂ -에스). h-BN의 기능은 Si/SiO₂의 인터페이스 게이트(IG)를 분리하는 것입니다. WSe₂의 기판 -시간. 따라서 WSe₂ 사이의 동종 접합 형성 -h 및 WSe₂ -S는 주로 WSe₂의 극성을 변조하는 IG에 의존합니다. -에스. IG는 SiO₂에 갇힌 전하에 의해 생성됩니다. 표면. 이것은 아래에서 자세히 논의될 것이다. 그림 1b는 장치의 광학 사진을 보여줍니다. 4개의 전극(E1-E4, Ti/Au)은 전자빔 리소그래피, 금속화 및 리프트오프 공정에 의해 준비되었습니다. 재료의 두께는 원자간력현미경(AFM)으로 특성화됩니다(그림 1c 참조). WSe₂의 높이 (h-BN) Si/SiO₂와 직접 접촉하는 플레이크 기판(흰색 점선)은 65(23) nm로 측정되었습니다(그림 1d, e 참조). WSe₂ 사이의 높이 프로파일에 급격한 계단 대신 경사가 있음을 알 수 있습니다. (h-BN) 및 Si/SiO₂ 기질. 이는 재료 가장자리에 남아 있는 포토레지스트 때문일 수 있습니다. 그림 1f는 WSe₂의 라만 스펙트럼을 보여줍니다. 및 h-BN 플레이크. WSe₂의 경우 , 첫 번째 주문 E_2g 및 A_1g 라만 모드는 ~ 250 cm ⁻¹ 로 명확하게 구분됩니다. , WSe₂ 다층 형태를 가지고 있습니다[32, 33]. h-BN의 경우 E_2g의 라만 피크 ~ 1370 cm ⁻¹ 에서 모드 관찰된다. h-BN의 밴드갭이 크기 때문에 WSe₂에 비해 Raman 신호가 약함 [34].

인플레인 WSe₂의 개략도 동형 접합. 아 장치의 구조. ㄴ 장치의 광학 이미지입니다. WSe₂의 일부 다른 부분이 Si/SiO₂와 접촉하는 동안 h-BN 플레이크와 접촉 기질. ㄷ 장치의 AFM 이미지. 흰색 점선은 h-BN(왼쪽)과 WSe₂의 두께 위치를 나타냅니다. (오른쪽)이 추출됩니다. E1과 E2 사이의 채널의 경우 평균 너비(길이)는 ~ 19.15(~ 6.33) μm입니다. E2와 E3 사이의 채널의 경우 평균 너비(길이)는 ~ 23.15(~ 5) μm입니다. E3과 E4 사이의 채널의 경우 평균 너비(길이)는 ~ 22(~ 5.38) μm입니다. d , e WSe₂의 높이 프로필 및 h-BN 플레이크. 에 WSe₂의 라만 스펙트럼 및 532 nm 레이저 여기가 있는 h-BN 플레이크

WSe₂에 대한 기질의 영향을 조사하려면 , WSe₂의 전송 특성 -S 및 WSe₂ -h는 별도로 연구되었습니다. 그림 2a에서 볼 수 있듯이 두 전달 곡선 모두 양극성 거동을 나타내며 WSe₂ 곡선에서 명백한 히스테리시스를 관찰할 수 있습니다. -S(검정색)와 WSe₂ 비교 -h(빨간색). WSe₂의 현재 -h는 WSe₂보다 높습니다. -에스. WSe₂ 곡선의 급경사 -h는 상대적으로 큰 트랜스컨덕턴스를 나타내며, 이는 캐리어 이동성에 비례합니다. WSe₂의 경우 -S, 히스테리시스는 SiO₂에서의 전하 트래핑에 기인합니다. 표면 [35,36,37,38]. V일 때 _g -30에서 0 V로 스위프, 음의 V _g WSe₂를 만듭니다. 구멍으로 채워지고 일부 구멍을 SiO₂로 밀어 넣습니다. (그림 2b 참조). SiO₂에 갇힌 구멍 WSe₂를 변조하기 위해 양의 로컬 게이트, 즉 IG를 생성합니다. 대가로 전도도(약한 고갈 효과). 따라서 V의 전하 중성점 _g − 5 V 주변에 나타납니다. 유사하게 V일 때 _g 30에서 0 V로 스위프, 양의 V _g WSe₂를 만듭니다. 전자로 채워지고 또한 일부 전자를 SiO₂로 유도합니다. (그림 2c 참조). SiO₂에 갇힌 전자 WSe₂를 변조하기 위해 음의 IG 생성 대가로 전도도(동일한 약한 공핍 효과). 따라서 V의 전하 중성점 _g 약 5 V에 나타납니다. WSe₂의 경우 -h, h-BN 플레이크는 WSe₂ 간의 캐리어 이동을 억제합니다. 및 SiO₂ V 아래 _g 조정. 이것이 WSe₂에서 명확하지 않은 히스테리시스의 이유입니다. -h 곡선. 따라서 IG를 활용하여 평면 내 동종접합을 간단히 형성할 수 있습니다.

전송 특성. 아 나 _d -V _g WSe₂의 곡선 -S(검은색 선) 및 WSe₂ -h(빨간색 선). V의 스위프 방향 _g 화살표로 표시됩니다. ㄴ , ㄷ 히스테리시스 현상에 대한 물리적 설명. 화살표는 V에 의해 유도된 전기장의 방향을 나타냅니다. _g . 빨간색과 파란색 구체는 각각 정공과 전자를 나타냅니다.

그림 3a는 I _d -V _d V의 어둡고 밝은 조건에서 장치의 곡선 _g =0 V 소스-드레인 전압은 전극 E2와 E3에 적용됩니다(삽입 참조). 단락 전류(V에서 _d =0 V) ​​입사 전력과 함께 증가하여 PV 효과를 나타냅니다. 흥미롭게도 곡선은 V에서도 PC 특성을 나타냅니다. _d =± 1 V 전자의 경우 광전류는 동종접합에 기인합니다. 그림 3b와 같이 V _d 및 V _g 0 V, SiO₂에 이미 갇힌 구멍 몇 개 WSe₂를 변조하기 위해 작은 양의 IG를 형성합니다. -에스. 따라서 n ^- -유형 WSe₂ -S 및 고유 WSe₂ -h(h-BN 플레이크에 의한 분리로 인한 IG의 영향 없음)는 면내 동종접합을 구성합니다. 조명 아래에서 광여기된 전자-정공 쌍은 동종 접합의 내장 필드에 의해 분리됩니다. 비록 나는 _d -V _d 곡선은 제로 바이어스에서 PV 특성을 잘 나타내지만, 동종접합은 정류 동작을 나타내지 않았습니다. 아마도 외부에서 인가된 V에 비해 내장 필드가 상대적으로 약하기 때문일 수 있습니다. _d . 후자의 경우 전체 WSe₂ 광전도체로서의 플레이크는 높은 바이어스에서 광 신호에 응답합니다. 광여기된 캐리어는 V에 의해 전극으로 구동됩니다. _d . 따라서 그림 3a의 광반응은 PV 모드와 PC 모드의 시너지 효과의 결과입니다. 다른 V에 대한 광 전력의 함수로서의 반응성 _d R로 주어진 그림 3c에 요약되어 있습니다. =나 _ph /PA , 여기서 나 _ph 광전류, P 는 전력 강도이고 A 는 검출기의 유효 감광 영역[39, 40]입니다. 계산하는 동안 유효 감광 영역, 즉 WSe₂ E2와 E3 사이의 부분은 115.75 μm ² 입니다. . 1.07 A W ⁻¹ 의 응답도 및 2.96A W ⁻¹ V에 대해 얻습니다. _d 각각 0 V 및 1 V입니다. 특정 탐정(D ^* )는 중요한 매개변수로서 광검출기가 약한 빛 신호에 반응하는 능력을 결정합니다. 암전류의 샷 노이즈가 주요 기여라고 가정하면 D ^* D로 정의할 수 있습니다. ^* =라 ^1/2 /(2나 _어두운 ) ^1/2 , 여기서 R 는 반응성, A입니다. 효과적인 감광 영역, e 는 전자 전하이고 I _어두운 암전류[41, 42]입니다. 극도로 낮은 나 _어두운 , 디 ^* 3.3 × 10 ¹² 존스(1 존스 =1 cm Hz ^1/2 W ⁻¹ ) 및 1.78 × 10 ¹¹ 존스는 V에 대해 달성되었습니다. _d 각각 0 V 및 1 V입니다. 또한 주요 장점으로 응답 시간이 연구되었습니다. 그림 3d와 같이 V에서 얻은 high 및 low 전류 상태 _d =0 V는 광 변조로 획득되었습니다. 일시적인 광반응은 매우 안정적이고 재현 가능한 특성을 나타냅니다. 그림 3e는 시간 응답의 단일 변조 주기를 제공합니다. 상승 시간(t _r ), 전류가 10% I에서 증가하는 데 필요한 시간으로 정의 _피크 90%까지 나 _피크 , ~ 106 μs, 하강 시간(t _f ), 유사하게 정의된, ~91 μs인 것으로 밝혀졌습니다. 그림 S1은 V에서 획득한 장치의 시간적 응답을 보여줍니다. _d =1 V. t _r 그리고 t _f 각각 ~105 μs 및 ~101 μs인 것으로 밝혀졌습니다. 표 1은 보고된 WSe₂를 요약합니다. 다른 방법으로 형성된 동종 접합. 분명히 우리 작업의 장치는 높은 D ^* , 비교 가능한 R , 그리고 상대적으로 빠른 응답 속도. 또한 그림 S2는 다른 세 장치의 광 응답 특성을 보여줍니다. 뚜렷한 PV 및 PC 전류는 각각 0 및 높은 바이어스에서 관찰될 수 있습니다. 모든 WSe₂의 탐지율 동종접합이 10 ¹² 보다 높습니다. jones이며 응답 시간은 100 μs를 약간 초과하여 당사 장치가 고성능 광검출을 매우 잘 반복할 수 있음을 증명합니다.

E2와 E3 사이에서 획득한 동종접합의 광응답 성능. 아 가변 광 전력 강도(637 nm)로 전극 E2 및 E3(삽입 참조)에 적용된 소스-드레인 전압의 함수로서의 드레인 전류. ㄴ V에서 동종접합의 형성 메커니즘 _g =0 V 및 V _d =0 V. c 빛의 힘의 함수로서의 반응성. d , e V에서 획득한 기기의 일시적인 응답 _d =637 nm 조명의 경우 0 V. 전류의 시간 의존성을 모니터링하기 위해 오실로스코프가 사용되었습니다.

그림 4a 및 b는 I를 나타냅니다. _d -V _d WSe₂의 특성 -h 및 WSe₂ -S 별도. 두 WSe₂의 곡선 -h 및 WSe₂ -S는 PC 특성을 나타내며 제로 바이어스에서 광전류가 없습니다. 사실 Ti/WSe₂ /Ti는 반대 내장 필드가 있는 두 개의 쇼트키 접합을 포함하는 금속/반도체/금속 구조를 형성해야 합니다. 그래서 나 _d -V _d 곡선은 영점을 지나야 하고 PC 동작을 나타내야 합니다. 우리의 경우 WSe₂의 다른 작업 기능으로 인해 -h 및 WSe₂ -S, 두 개의 비대칭 쇼트키 접점, 즉 E2/WSe₂가 있습니다. -S 및 E3/WSe₂ -h, 도 4c에 도시된 바와 같이. 제로 바이어스에서 쇼트키 접합에서 발생하는 순 광전류의 방향은 호모 접합에서와 반대이며 그림 3a의 실험 결과는 쇼트키 접합과 일치합니다. 따라서 WSe₂ -h 및 WSe₂ -S는 단락 광전류의 원인입니다.

광응답에 대한 쇼트키 접합의 효과. 아 나 _d -V _d WSe₂의 곡선 -h 조명 조명(637 nm)에서 전극 E3 및 E4(삽입 참조)에 인가된 소스-드레인 전압. ㄴ 나 _d -V _d WSe₂의 곡선 -S 조명 조명(637 nm)에서 전극 E1 및 E2(삽입 참조)에 인가된 소스-드레인 전압. ㄷ 비대칭 쇼트키 접점, 즉 E2/WSe₂가 있는 동종접합 장치의 도식적 밴드 다이어그램 -S 및 E3/WSe₂ -h, 제로 바이어스

제로 바이어스에서의 광 응답이 동종 접합에 기인한다는 것을 추가로 입증하기 위해 I 측정을 통해 출력 특성을 조사했습니다. _d -V _d 소스-드레인 전압이 전극 E1 및 E4에 인가된 장치의 곡선. 그림 S3a에서 볼 수 있듯이 그림 3a의 상황과 동일한 곡선도 PV 및 PC 특성을 나타냅니다. 위에서 논의한 바와 같이 전자의 경우 광전류는 WSe₂ -S 및 WSe₂ -시간. 후자의 경우, 광전류는 외부에서 적용된 V에 의해 광여기된 캐리어의 수집에 기인합니다. _d . 다른 V에 대한 광 전력의 함수로서의 반응성 _d 그림 S3b에 요약되어 있습니다. 0.51A W ⁻¹ 의 응답도(탐지율) (2.21 × 10 ¹² 존스) 및 3.55A W ⁻¹ (5.54 × 10 ¹² 존스)는 V에 대해 얻습니다. _d 각각 0 V 및 1 V입니다. 계산하는 동안 유효 감광 영역, 즉 WSe₂ E1과 E4 사이의 부분은 519.4 μm ² 입니다. . 제로 바이어스에서 측정된 응답 시간은 그림 S3c 및 3d에 나와 있으며, 여기서 상승 시간은 289 μs이고 하강 시간은 281 μs입니다. V _d 1 V(그림 S3e 및 3f)의 상승 및 하강 시간은 각각 278 μs 및 250 μs입니다. 응답 속도는 전극 E2와 E3 사이에서 측정된 것보다 약간 느립니다. 왜냐하면 상대적으로 긴 전도성 채널이 포토캐리어 전송 거리를 증가시키고 포토캐리어와 결함 사이의 상호작용 가능성을 증가시키기 때문입니다.