MoS2/GaAs 이종 접합의 큰 측면 태양광 효과

결과 및 토론

그림 1은 MoS₂의 라만 스펙트럼을 보여줍니다. GaAs 기판에 필름. ~ 287.1cm ⁻¹ 에서 GaAs 기판의 피크 외에 , 두 가지 특징적인 MoS₂ 라만 피크를 볼 수 있습니다, A_1g 모드 ~ 406.7 cm ⁻¹ 및 E ¹ _2g 모드 ~ 378.9cm ⁻¹ . 오른쪽 두 개의 삽입은 MoS₂의 원자 진동을 보여줍니다. . A_1g 모드는 면외 방향을 따라 역위상으로 진동하는 S 원자에 해당하고 E ¹ _2g 모드는 결정면에 평행한 역위상으로 진동하는 S 및 Mo 원자에 해당합니다. 그림과 같이 A_1g에 해당하는 라만 피크는 모드는 영화에 대해 우선적으로 흥분됩니다. 우리의 측정에 따르면 A_1g의 강도 비율 /E ¹ _2g 약 2.1이다. 이러한 라만 특성은 MoS₂에 대해 보고된 다른 결과와 유사합니다. 박막[19]. 왼쪽 삽입은 40nm MoS₂의 AFM 지형 이미지를 보여줍니다. GaAs 기판에서 성장된 막. 그림에서 우리는 필름의 표면이 조밀한 원뿔 모양의 입자로 구성되어 있음을 알 수 있습니다. 측정 결과, 필름의 RMS(Root-mean-square) 거칠기는 약 1.7nm이고 입자의 평균 크기는 직경이 약 76.3nm입니다. 표면의 이러한 입자는 외부 빛에 대한 표면 반사를 감소시키고 제조된 장치의 광 흡수를 향상시킬 수 있습니다.

MoS₂의 라만 스펙트럼 GaAs에 영화. 오른쪽 두 개의 삽입은 E ¹ 의 진동 모드에 대한 개략도를 보여줍니다. _2g 및 A_1g , 각각. 원자 색상 코드:연한 청록색, Mo; 노란색, S. 왼쪽 삽입은 성장한 MoS₂의 표면 형태 이미지를 보여줍니다. 영화

그림 2는 MoS₂의 XPS 스펙트럼을 보여줍니다. 영화. 그림 2a에서 볼 수 있듯이 229.3 및 232.5 eV의 피크는 Mo 3d_5/2와 관련이 있습니다. 및 Mo 3d_3/2 각각 궤도. 그림 2b와 같이 S 2p_3/2 및 S 2p_1/2 2가 황화물 이온의 궤도(S ²⁻ )는 각각 162.2 및 163.3 eV에서 관찰됩니다. 결과는 MoS₂에 대해 보고된 값과 잘 일치합니다. 크리스탈 [17, 18].

MoS₂의 XPS 스펙트럼 a를 위한 영화 모 및 b S 요소, 각각

그림 3a는 세로 I를 보여줍니다. -V 제작된 MoS₂의 곡선 /n -GaAs 이종 접합. 직경이 약 0.5mm인 두 개의 In 전극을 MoS₂ 표면에 눌렀습니다. 필름과 GaAs의 뒷면. 삽입은 세로 측정을 위한 회로도를 보여줍니다. 순방향 전압은 상부 In 전극에 인가되는 양의 바이어스 전압으로 정의됩니다. 그림과 같이 제작된 MoS₂ /n -GaAs 이종접합은 명백한 정류 거동을 보인다. 정류비(I ₊ /나 ₋ ) ± 1.0 V에서 측정된 값은 약 520입니다. 우리의 실험에서 In/MoS₂ In/GaAs는 옴 접점에 속하며 I -V 곡선은 거의 선형입니다. 따라서 수정 나 -V 이종접합의 특성은 주로 MoS₂에서 비롯됩니다. /GaAs 연락처. 그림 3b는 가로 I를 보여줍니다. -V 제작된 MoS₂의 곡선 /n -GaAs 이종 접합. 직경이 약 0.5mm인 두 개의 In 전극을 MoS₂ 표면에 눌렀습니다. 영화. 상단 삽입은 횡단 측정을 위한 회로도를 보여줍니다. 그림에서 나 -V 곡선은 전압이 증가함에 따라 전류가 약간 비선형적으로 증가함을 보여줍니다. 이것은 MoS₂의 반전 레이어가 /n -GaAs 계면이 형성된다[18]. 하단 삽입은 I를 보여줍니다. -V 단일 MoS₂의 곡선 진성 GaAs 기판의 필름. 그림에서 거의 선형인 I -V In/MoS₂의 옴 특성을 나타내는 곡선을 볼 수 있습니다. 연락하다. + 0.5V의 전압에서 단일 MoS₂의 전류 약 3.1 × 10 ⁻² 입니다. μA, MoS₂의 값보다 훨씬 작음 /n -GaAs, 약 2.3μA. 따라서 MoS₂에 비해 필름, MoS₂의 반전층 /n -GaAs 인터페이스는 MoS₂의 횡방향 측정 동안 캐리어 전송에 대해 훨씬 더 낮은 저항을 갖는 경로를 제공합니다. /n -GaAs 이종접합.

아 세로 나 -V 제작된 MoS₂의 곡선 /n -GaAs 이종 접합. 삽입은 세로 측정을 위한 회로도를 보여줍니다. ㄴ 가로 나 -V 제작된 MoS₂의 곡선 /n -GaAs 이종 접합. 상단 삽입은 횡단 측정을 위한 회로도를 보여줍니다. 하단 삽입은 I를 보여줍니다. -V MoS₂의 곡선 고유 GaAs 기판의 필름

그림 4a는 제작된 MoS₂의 LPE 측정을 위한 회로도를 보여줍니다. /GaAs 이종 접합. 직경이 0.5mm인 두 개의 In 전극이 MoS₂ 표면에 눌러져 있습니다. LPE 측정을 수행하는 필름. 거리(2L ) 전극 사이는 ~ 1.0 mm입니다. 측정하는 동안 전극 A와 B는 각각 Keithley 2000 전압계의 양극 및 음극 프로브에 연결되었습니다. 그림 4b는 MoS₂의 LPE 곡선을 보여줍니다. /n -GaAs 및 MoS₂ /p -GaAs 이종접합, 각각. MoS₂의 두께 필름은 ~ 30.0 nm입니다. MoS₂의 표면이 필름은 직경이 약 0.1mm인 레이저 스폿에 의해 부분적으로 조명되며 MoS₂에서 큰 LPE가 관찰될 수 있습니다. /n -GaAs 이종 접합. 그림과 같이 LPE는 MoS₂의 전극 A와 B 사이에서 레이저 스폿이 이동할 때 레이저 스폿 위치에 대략 선형 의존성을 나타냅니다. 표면. 그림에서 LPV가 레이저 스폿의 위치에 따라 달라지는 것을 알 수 있습니다. 이것은 확산 이론[16]에 적합할 수 있습니다.

여기서 K ₀ , 2L , d , 및 x 비례 계수, 두 전극 사이의 거리, 캐리어 확산 길이 및 레이저 스폿 위치를 각각 나타냅니다. 그림에서 잘 맞는 결과는 MoS₂의 LPE가 /n -GaAs 이종 접합은 레이저 위치에서 멀리 떨어진 여기된 캐리어의 측면 확산 흐름 및 재결합에서 발생합니다. 그림에서 볼 수 있듯이 광점이 두 전극 사이의 중앙에 있을 때 LPV 값은 0이며 이는 캐리어의 확산 대칭에 기인할 수 있습니다. 조명 위치가 A 전극에 가까울 때 LPV는 양수이고 그 반대도 마찬가지입니다. 이것은 MoS₂의 LPE가 /n -GaAs 이종 접합은 정공형 광여기 캐리어에 의해 발생합니다. 최대 LPV는 레이저 조명이 전극에 가장 가까울 때 얻습니다. 우리의 측정에 따르면 최대 측면 광전압(LPV_max )는 MoS₂의 선형 영역에서 약 208.2mV입니다. /n -GaAs 이종 접합. 이에 비해 MoS₂의 LPV /p -GaAs 이종접합은 훨씬 작고 LPV_max 그림과 같이 7.3mV에 불과합니다. 그림에서 MoS₂의 LPE가 /p -GaAs 이종 접합은 전자형 광여기 캐리어에 의해 결정됩니다. 또한 MoS₂의 비선형 LPE 특성 /p -레이저 스폿이 A 전극과 B 전극 사이를 이동할 때 그림에서 GaAs 이종 접합을 볼 수 있습니다.

아 LPE 측정을 위한 회로도. ㄴ MoS₂의 LPE 곡선 /n -GaAs 및 MoS₂ /p -GaAs 이종접합, 각각

그림 5는 MoS₂의 LPE 감도를 보여줍니다. /n - 레이저 출력 및 두께의 함수로서의 GaAs 이종접합(d _MoS2 ) MoS₂ 영화. 감도는 S로 정의됩니다. =LPV_최대 /엘 . 분명히 S 처음에는 레이저 출력이 증가함에 따라 급격히 증가하지만 출력이 더 증가하면 천천히 포화됩니다. 이러한 포화는 조명된 영역에서 레이저 강도가 증가함에 따라 광여기된 정공의 재결합 속도가 급격히 증가하기 때문에 발생할 수 있습니다[20]. 그림과 같이 100.0μW의 약한 레이저 조도에서도 명백한 LPE와 높은 감도를 얻을 수 있다. 그림에서 MoS₂의 두께에 대한 감도의 상당한 의존성 영화를 볼 수 있습니다. d일 때 _MoS2 =~ 10.0 nm, S =165.4mV mm ⁻¹ 100.0 μW의 레이저 조명에서. 필름 두께가 증가함에 따라 S 점차적으로 증가합니다. d일 때 _MoS2 =30.0nm, S 416.4mV mm ⁻¹ 에 도달 . 이 민감도는 보고된 MoS₂보다 훨씬 큽니다. /Si 장치 [17, 18]. d 후 _MoS2> 30.0nm, S MoS₂가 추가로 증가함에 따라 감소 두께. d일 때 _MoS2 =90.0 nm, S = 283.3mV mm ⁻¹ . 따라서 가장 큰 LPE와 감도를 얻으려면 MoS₂의 최적 두께가 있습니다. 제작된 MoS₂의 필름 /n -GaAs, 약 30.0 nm.

조작된 MoS₂의 포지티브 및 네거티브 감도의 의존성 /n - 각각 레이저 파워에 대한 GaAs 이종접합

그림 6a는 MoS₂의 UPS 스펙트럼을 나타냅니다. Si 기판에 필름. 작업 함수(W )는 가장 높은 결합 에너지의 차단과 여기 방사선의 광자 에너지 사이의 차이로부터 계산할 수 있습니다. 그림에서 W =5.24 eV를 얻을 수 있습니다. 거리(∆E ) 가전자대(E) 사이 _V ) 및 페르미 준위(E _F )의 MoS₂ 필름은 삽입된 그림과 같이 시작 에너지에서 추출할 수 있습니다. ∆E MoS₂용 필름은 약 0.51 eV입니다. MoS₂의 투과 스펙트럼 데이터 사용 석영 기판의 필름, (αhν ) ² 광자 에너지 hν의 함수로 표시됩니다. , 여기서 h 는 플랑크 상수이고 ν 는 광자 주파수입니다. α αd로 계산된 흡수 계수입니다. =ln(1/T ) [21], 여기서 d 그리고 T 는 각각 필름의 두께와 투과율입니다. 밴드 갭(E _g ) 필름의 hν 선의 절편에서 결정할 수 있습니다. 축, E _g =1.54 eV, 도 6b에 도시된 바와 같이. 이러한 에너지 대역 매개변수를 기반으로 p -MoS₂의 유형 동작 막이 결정될 수 있으며, 이는 홀 측정에 의해 추가로 입증될 수 있습니다. Hall 결과는 정공형 캐리어의 농도와 이동도가 약 3.8 × 10 ¹⁵ 임을 보여줍니다. cm ⁻³ 및 11.2cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , 각각.

아 MoS₂의 UPS 스펙트럼 GaAs의 필름은 필름의 페르미 준위와 페르미 준위와 전도대의 상단 가장자리 사이의 거리를 보여줍니다. ㄴ (αhv ) ² ~hv MoS₂의 UV 스펙트럼 곡선 동일한 증착 조건에서 석영 기판에 필름

MoS₂에서 LPE의 메커니즘을 명확히 하기 위해 /GaAs heterojunctions, 인터페이스에서의 에너지 밴드 다이어그램은 그림 6의 결과를 기반으로 구성됩니다. 여기에서 E _g =1.42 eV 및 E _F =n의 경우 4.17 eV -GaAs는 밴드 구조를 구성하기 위해 고려됩니다[22]. MoS₂일 때 막이 GaAs 기판에 증착되고 전자가 GaAs에서 MoS₂로 흐릅니다. 더 높은 E로 인한 인터페이스에서의 필름 _F GaAs의. 페르미 준위와 MoS₂가 같을 때 흐르는 과정이 멈춥니다. /GaAs p -n 도 7a에 도시된 바와 같이 접합이 제조된다. 결과적으로 내장 필드(E _바이 )는 MoS₂의 인터페이스에서 형성됩니다. /GaAs 이종 접합. 이 _바이 =[이 _F (n -GaAs) − E _F (MoS₂ )]/e =1.07 V이고 GaAs에서 MoS₂를 가리킵니다. 영화. 따라서 비대칭 세로 I -V 곡선은 그림 3a에 나와 있습니다. 강한 E의 존재로 인해 _바이 , 많은 양의 정공형 캐리어가 계면 근처에 축적되고 반전층이 n -그림 7b와 같이 인터페이스 근처의 GaAs 기판. 2차원 정공 가스(2DHG)[23]와 유사하게 반전층은 정공의 높은 시트 농도(p+ ). 그림 3b에서 반전층의 전도가 MoS₂보다 훨씬 크다는 것을 알 수 있습니다. 영화. 따라서 MoS₂의 같은 면에 있는 두 전극 사이의 전도 필름은 MoS₂보다는 반전 레이어에 의해 지배됩니다. 영화. 접합부가 레이저에 의해 부분적으로 조명되면 빛이 흡수되고 MoS₂의 전자-정공 쌍 그림 7c와 같이 막과 GaAs를 각각 유도할 수 있다. 그러나 대부분의 레이저는 훨씬 더 두꺼운 두께와 더 작은 밴드 갭으로 인해 GaAs 기판에 의해 흡수될 것으로 예상할 수 있습니다. 레이저 조명 하에서 전자-정공 쌍은 조명된 영역에서만 여기될 수 있으며 E에 의해 공간적으로 분리됩니다. _바이 . E 방향으로 인해 _바이 GaAs에서 MoS₂를 가리키는 , 광여기된 정공은 그림 7c와 같이 계면을 향해 흐르고 GaAs의 반전 층으로 들어갑니다. 반전층의 광여기된 정공은 조명된 지점에서 두 개의 전극으로 측면으로 확산됩니다. 두 전극에 의해 수집된 여기된 정공의 농도는 조명된 지점으로부터 다른 거리에 따라 다릅니다. 따라서 전극 사이에 큰 LPV가 형성되고 이종접합에서 LPE가 관찰된다. 이것은 그림 3b의 적합 결과와 일치하며 MoS2/n의 LPE -GaAs 이종 접합은 주로 캐리어 확산에서 비롯됩니다. MoS₂일 때 필름은 p에 증착됩니다. -GaAs 기판, p -피 그림 7d와 같이 이종 접합이 형성됩니다. 이 _F (p -GaAs) =5.32 eV는 밴드 다이어그램에서 사용됩니다[22]. E _바이 p의 -피 이종접합은 0.08V로 계산할 수 있으며 그 방향은 필름에서 기판으로 향합니다. E로 인해 _바이 , 전자형 캐리어가 이종 접합의 계면 근처에 축적되고 반전층이 형성된다. 따라서, 광여기된 전자의 확산에 의해 유도된 LPE는 MoS₂ /GaAs p -피 그러나 V가 약하기 때문에 반전층에 축적된 캐리어의 농도가 낮아질 수 있습니다. _바이 p에서 단 0.08V -피 p와 비교한 이종접합 -MoS₂ /n -GaAs 접합. 이것은 반전층에서 광여기된 전자의 수송의 어려움을 증가시킵니다. 진지하게, 쇼트키 장벽은 n 사이에 형성될 수 있습니다. -유형 반전 레이어 및 p -MoS₂ 도 7e에 도시된 바와 같이 필름. p의 이러한 특성은 -MoS₂ /p -GaAs 접합은 전극에서 광여기된 전자의 수집을 억제합니다. 결과적으로 LPE를 크게 줄일 수 있었습니다. 그림 4b와 같이 LPV_max p -피 접합은 p에서 208.2mV에 도달하는 동안 7.3mV에 불과합니다. -n 접합.

아 MoS₂의 에너지 밴드 정렬 /n -GaAs 이종접합, b 인터페이스에서 전기 접촉의 해당 그림. ㄷ MoS₂의 LPE 메커니즘 /n -GaAs 이종 접합. d MoS₂의 에너지 밴드 정렬 /p -GaAs 이종접합, e 인터페이스에서 전기 접촉의 해당 그림

일반적으로 보고된 이종 접합 유형 PSD에서 LPE가 캡 층의 두께를 변경하여 조정할 수 있는 경우가 발생합니다[20]. 이는 필름에서 광여기된 캐리어의 재결합과 내장 필드의 진화를 고려하면 잘 이해할 수 있습니다. MoS₂에서 /GaAs p -n 접합부에서 두꺼운 MoS₂의 긴 운송 경로로 인해 광자 생성 캐리어의 재조합이 향상될 수 있습니다. 전극에 의해 수집되기 전에 필름. 이것은 이종 접합의 LPE를 감소시킵니다. 반대로, 박막이 얇을수록 재조합이 크게 감소하여 LPE가 증가합니다. 그러나 MoS₂ 두께가 임계값보다 작음, E _바이 인터페이스에서 MoS₂가 더 감소함에 따라 감소합니다. 두께 [24]. 이것은 광자 생성 전자-정공 쌍의 분리를 감소시킬 수 있으며 LPE가 감소합니다. 따라서 MoS₂의 최적 두께가 있습니다. 약 30 nm의 가장 높은 LPE를 얻기 위한 필름입니다.