측면 단일층 MoS₂/WS₂ 헤테로접합을 이용한 고성능 포토디텍터

초록

단일층 전이금속 디칼코게나이드(TMD)는 우수한 빛 포착 및 광검출 능력으로 차세대 광전자공학에 유망한 잠재력을 보입니다. 포토디텍터는 센싱, 이미징, 통신 시스템의 중요한 구성요소로 광신호를 전기신호로 변환하여 인지합니다. 본 연구에서는 일액상 화학기상증착법으로 대면적 고품질 측면 단일층 MoS₂/WS₂ 헤테로접합을 합성했습니다. 체계적 특성 분석으로 채널 물질의 좋은 균일성과 날카로운 계면이 검증되었습니다. 그 결과 광게이팅 효과로 향상된 포토디텍터는 ~567.6 A/W의 응답도와 ~7.17 × 10¹¹ Jones의 검출도 등 경쟁력 있는 성능을 제공합니다. 또한 전류 파워 스펙트럼에서 얻은 1/f 노이즈는 포토디텍터 개발에 불리하며, 이는 캐리어 트래핑/디트래핑에서 기인하는 것으로 간주됩니다. 따라서 본 연구는 측면 단일층 TMD 헤테로구조 기반 고효율 광전자 소자 개발에 기여할 수 있습니다.

서론

약 5000억 달러 규모의 반도체 칩 시장을 고려할 때, 2차원(2D) 물질은 현재 무어의 법칙 연장을 위한 가장 실현 가능하고 유망한 후보 중 하나입니다[1-5]. 2D 물질군의 대표주자인 전이금속 디칼코게나이드(TMD)는 독특한 광전자적 특성과 잠재적 응용[6-12]으로 인해 광검출 및 발광 소자[13, 14] 분야에서 집중적으로 연구되었습니다. 특히 조절 가능한 밴드갭, 높은 캐리어 이동도, 높은 광흡수, 원자 단위 두께는 TMD를 포토디텍터용 적절한 채널 물질로 만들며 광전자 또는 전자 소자에서 중요한 역할을 합니다[15, 16]. TMD의 결정 결함으로 인한 캐리어 트래핑 효과가 높은 광감도를 유발할 수 있지만, 필연적으로 느린 응답 속도를 초래합니다[17]. 또한 일부 연구자들은 2D 물질의 제한된 빛 활용도를 높이기 위해 플라즈모닉 향상을 제안합니다[18-20]. 각기 우수성을 결합하고 접합부에서 독특한 전자 수송을 보이며, 측면 스티칭 또는 수직 적층의 TMD 헤테로구조가 제시되었습니다[21]. 이러한 헤테로구조는 고유 전자적 특성을 조절하고 광흡수를 개선할 수 있습니다[22], 새로운 설계 가능한 특성을 보입니다[13, 23]. 예를 들어, TMD 헤테로구조에 의해 유도된 내장 전기장[24] 또는 에너지 준위 차이[25]는 광캐리어 분리를 가속화[26], 광캐리어 재결합 억제[17, 27], 암전류 감소[28]를 가져와 고성능 광검출 달성에 유리합니다. 또한 Wang 그룹[29]은 측면 헤테로구조에서 전자-정공(e-h) 재결합 억제를 입증했습니다. 선행 연구에 따르면 측면 헤테로구조는 더 높은 캐리어 이동도[30]를 보인 반면, 수직 헤테로구조는 보통 광활성 영역 증가[27] 및/또는 단위 면적당 전류 구동 향상[31]을 가져옵니다. 또한 측면 헤테로구조의 평면 계면은 양쪽보다 더 강한 발광 강도를 보입니다[14]. 반면 수직 헤테로계면에서는 직접 복사 재결합 감소로 억제된 광발광(PL) 방출이 관찰될 수 있습니다[32]. 또한 측면과 수직 TMD 헤테로구조 모두 새로운 엑시톤 전이 생성을 가능하게 합니다[14].

결정 격자 품질 측면에서 MoX₂/WX₂(X=S, Se, Te) 측면 헤테로접합은 유사한 벌집형[33, 34] 구조와 격자 상수[34]로 인해 구조적 결함을 거의 유발하지 않습니다. 또한 이러한 헤테로접합은 일반적으로 타입-II 밴드 정렬을 형성하는데, 이는 고효율 광검출에 바람직합니다[32, 34, 35]. 선행 연구에 따르면 측면 단일층 MoS₂/WS₂ 헤테로접합은 최상가대(VBM)가 WS₂에, 최하전도대(CBM)가 MoS₂에 위치하는 타입-II 밴드 정렬을 선호합니다[32, 34]. 예를 들어, Wu 그룹은 MoS₂의 VBM과 CBM이 WS₂보다 각각 0.39 eV, 0.35 eV 낮음을 보고했습니다[34]. 또한 MoS₂와 WS₂ 간 밴드 오프셋으로 결정되는 밴드 정렬은 Mo와 W의 서로 다른 d-오비탈 위치로 추정할 수 있습니다[34]. 수직 헤테로구조는 기계적 전사 및 적층으로 제조 가능하지만, 측면 헤테로구조는 성장법으로만 달성 가능합니다[14]. 또한 선행 보고에 따르면 수직 헤테로구조는 정밀 제어가 어렵고 층간 계면에서 오염되기 쉽습니다[33]. 다행히 측면 헤테로구조는 일액상 법으로 합성되어 오염을 줄일 수 있습니다[28]. 현재 대면적 고품질 측면 단일층 TMD 헤테로구조 성장은 여전히 큰 과제입니다[36]. 따라서 고품질 대면적 측면 TMD 헤테로접합은 고성능 포토디텍터 개발에 중요하고 필요합니다.

여기서 일액상 액상 CVD 법으로 날카로운 계면과 좋은 균일성을 가진 측면 단일층 MoS₂/WS₂ 헤테로접합을 제조하고, 이 헤테로구조 기반 포토디텍터를 제작했습니다. 제시된 포토디텍터는 567.6 A/W의 높은 응답도와 7.17 × 10¹¹ Jones의 검출도를 달성할 수 있습니다. 본 연구는 측면 단일층 MoS₂/WS₂ 헤테로접합이 차세대 광전자 응용 분야의 자격 있는 후보가 될 수 있음을 입증합니다.

방법

헤테로구조 합성

0.05 g 텅스텐산나트륨, 0.5 g 몰리브덴산암모늄, 0.12 g NaOH(또는 KOH) 입자를 10 mL 탈염수(DI)에 용해시켜 전구체 용액을 얻었습니다. 성장 기판(사파이어)을 피라냐 용액으로 처리하여 표면 친수성을 개선한 후, 전구체 용액을 깨끗한 사파이어 기판에 균일하게 스핀 코팅했습니다. 이후 전구체 코팅 사파이어와 황을 석영관의 가열 중심과 업스트림에 각각 배치했습니다. 가열 중심을 40분 동안 700°C로 올리고 10분 유지하여 MoS₂-OH 이중층(즉, MoS₂ 단일층과 부착된 OH⁻ 이온 단일층)을 성장시켰습니다. 마지막으로 캐리어 가스를 Ar에서 Ar/H₂(5% H₂)로 변경하고, 가열 중심을 10분 내 780°C로 가열하여 10분 유지하여 WS₂가 MoS₂-OH 이중층 가장자리를 따라 성장하여 MoS₂/WS₂ 측면 헤테로구조를 형성하게 했습니다. 헤테로구조 합성의 더 자세한 내용은 선행 연구[30]를 참조하십시오.

전사 공정

폴리스티렌(PS) 보조 법으로 WS₂/MoS₂ 측면 헤테로구조를 사파이어에서 SiO₂/Si 기판으로 전사했습니다. PS 용액(톨루엔 100 mL에 PS 9 g 용해)을 헤테로구조에 3500 rpm으로 60초 스핀 코팅한 후, 90°C에서 10분 베이킹하여 톨루엔을 제거했습니다. 이후 물방울로 WS₂/MoS₂-PS 필름을 얻고, 떠다니는 WS₂/MoS₂-PS 필름을 깨끗한 SiO₂/Si 기판으로 건져 올렸습니다. WS₂/MoS₂-PS-SiO₂/Si 시료를 80°C에서 1시간, 150°C에서 30분 베이킹하여 폴리머를 펴서 가능한 주름을 제거했습니다. 마지막으로 톨루엔으로 여러 번 세척하여 PS 필름을 제거하고 WS₂/MoS₂-SiO₂/Si 시료를 얻었습니다.

소자 제작

표준 전자빔 리소그래피(EBL)로 성장한 측면 단일층 MoS₂/WS₂ 헤테로접합에 마커와 전극 패턴을 정의했습니다. Ti/Au 전극(10 nm/100 nm)을 채널에 증착하고 아세톤에서 리프트오프했습니다. 소자를 진공에서 400°C로 2시간 열 어닐링하고 실온으로 급속 냉각했습니다.

물질 특성 분석

광학 이미지는 OLYMPUS 현미경(LV100ND)으로 촬영했습니다. 라만, PL, AFM 매핑 이미지는 532 nm 레이저로 라만-AFM 공초점 분광기(Witec, alpha300 RA)로 측정했습니다.

소자 특성 분석

포토디텍터의 광전자 특성은 SemiProbe 프로브 스테이션과 반도체 파라미터 분석기(Keithley 4200), Platform Design Automation(PDA, FS-Pro)로 측정했습니다. 다양한 파장 레이저를 광원으로 사용하여 포토디텍터의 광응답을 측정했습니다. 다양한 레이저 밀도는 조사계로 결정했습니다.

결과 및 고찰

그림 1a는 광학 대비로 설명된 CVD 성장 측면 단일층 헤테로구조의 광학 이미지입니다. 그림 1a에서 표시된 1, 2 위치에서 얻은 라만 스펙트럼은 내부 MoS₂(385.5 cm⁻¹, 405.3 cm⁻¹)와 외부 WS₂(351.5 cm⁻¹, 416.5 cm⁻¹)의 구성을 확인합니다(그림 1b)[30]. 해당 라만 스펙트럼에서 산화 피크가 관찰되지 않아 MoS₂와 WS₂의 높은 결정 품질을 암시합니다[37]. 특히 그림 1a에서 표시된 3번 스티치 계면에서 MoS₂와 WS₂ 고유 피크가 모두 관찰되어 두 물질이 계면에서 형성됨을 나타냅니다. 또한 MoS₂의 E₂g 모드와 A₁g 모드 주파수 차이가 19.8 cm⁻¹로 단일층임을 시사합니다[30, 38, 39]. WS₂의 경우 종파 음향 모드(2LA)[40](352 cm⁻¹)와 A₁g 모드 피크 강도 비율(I_2LA/I_A1g)이 주파수 차이보다 두께 검증에 더 정확합니다[14]. 이 비율은 ~2로 추정되어 532 nm 레이저로 측정된 단일층 WS₂와 일치합니다[14]. 측면 헤테로접합에서 합금 효과[41]로 인한 E₂g 모드(면내 진동)의 뚜렷한 레드 시프트를 관찰할 수 있습니다. 주목할 점은 유사한 거동이 수직 헤테로접합에서도 유전체 차폐와 층간 결합으로 인해 관찰되었습니다[42]. 또한 그림 1c의 라만 매핑 결과는 파란색 MoS₂ 영역과 빨간색 WS₂ 영역으로 이음매 없는 고품질 평면 헤테로구조를 나타냅니다[13, 43]. 그림 1d, e도 PL 매핑으로 각각 MoS₂ 영역과 WS₂ 영역 구성을 보여줍니다[13]. WS₂ 영역에서 향상된 PL 강도를 보이는 몇 포인트는 불순물이나 공공에 의한 캐리어 불균질 분포로 설명될 수 있습니다[14]. 또한 계면에서 MoS₂ 영역보다 강한 PL 방출은 가장자리에서 캐리어 불균질 분포나 높은 광유도 캐리어 재결합률로 해석될 수 있습니다[14]. 라만과 PL 매핑 모두 MoS₂와 WS₂ 사이의 날카롭고 잘 스티칭된 계면을 시사합니다[14, 44]. 두께와 표면 형태는 트래핑 모드 원자력 현미경(AFM)으로 측정했습니다. 물질 내부에서 약간의 결정립계가 캐리어 산란을 유발할 수 있으나[45], 가장자리는 더 나은 전기적 수송 성능을 나타냅니다(그림 1f)[14, 46]. 외부 WS₂ 두께는 ~0.7 nm(바닥)로 기존 CVD 성장 단일층 WS₂와 일치합니다[47], WS₂와 MoS₂ 간 높이 차이는 약 0.25 nm(위)로 단일층 MoS₂를 암시합니다[47]. 전반적으로 위 물질 특성 분석 결과는 날카로운 계면을 가진 측면 단일층 MoS₂/WS₂ 헤테로접합을 입증합니다.

성장된 측면 단일층 MoS₂/WS₂ 헤테로구조 물질 특성 분석 결과. (a) 측면 단일층 MoS₂/WS₂ 헤테로접합 광학 이미지. (b) (a)에서 1, 2, 3 표시 지점에서 얻은 라만 스펙트럼. 라만 매핑 이미지(c), MoS₂ 영역(d)과 WS₂ 영역(e) PL 매핑 이미지(a)의 빨간 프레임 영역에서. 해당 거짓색 막대는 (c)-(e) 하단에 삽입. (f) AFM 형태 이미지에서 표시된 파란색(WS₂와 MoS₂ 사이)과 흰색(WS₂와 기판 사이) 선의 단면 높이 프로파일

포토디텍터는 측면 MoS₂/WS₂ 헤테로접합 기반 EBL 시스템으로 제작했습니다. 그림 2a는 측면 헤테로접합 소자 개략도(위)와 제안된 타입-II 밴드 정렬(아래)을 보여줍니다. 이에 따라 전자와 정공은 계면을 통해 각각 MoS₂와 WS₂ 영역으로 전달 및 구속되어 광전 변환을 달성합니다[13, 21, 24, 48]. 우리는 이를 광게이팅 효과, 즉 광전도 효과의 특수한 경우로 봅니다[49]. 광게이팅 효과는 국소 광게이트로 채널 전도도를 조절할 수 있습니다[50]. 유효 소자 면적 ~40 μm²인 소자 광학 이미지는 그림 2b에 E1, E2 전극이 소스, 드레인 전극으로 설명되어 있습니다. 헤테로접합 구성을 파악하기 위해 결합 라만 매핑을 수행했습니다(그림 2c), 측정 소스, 드레인 전극(E1, E2) 사이의 측면 MoS₂/WS₂ 헤테로접합 채널 물질을 나타냅니다[28]. 파란색, 빨간색, 어두운 부분은 각각 MoS₂, WS₂, 금속 전극입니다. 그림 2d는 405 nm, 520 nm, 635 nm 가시광 하 측면 헤테로접합의 반로그 출력 특성 곡선입니다. 그림 2d 인셋은 채널과 전극 간 선형 I-V 관계를 보여줍니다[51-56]. 선형 I-V 특성은 높은 응답도 달성에 유리하지만 높은 암전류로 인해 포토디텍터 감도가 낮아집니다[57]. 또한 포토디텍터의 I_ph(I_light - I_dark)는 열 어닐링 전보다 12.5배 증가했는데, 이는 접촉 저항 감소[46, 58], 결함 제거[59], 전기 전도도 향상[60] 때문일 수 있습니다. 그림 2e는 위 파장들로 흥분된 광스위칭 특성을 보여줍니다. 빛이 켜지면 과도 전류가 급격히 상승하고 빛이 꺼지면 즉시 하락하여 이 포토디텍터가 신속한 빛 활성화 스위치 역할을 할 수 있음을 시사합니다[61].

포토디텍터 광전자 특성. (a) 포토디텍터 개략도와 제안된 밴드 정렬. 광학 이미지(b)와 해당 결합 라만 매핑(c). E1, E2는 측정 소자의 소스, 드레인 전극. 반로그(d)와 선형(인셋 d) I-V 특성, 광스위칭 특성(e)

동일 파장이지만 다양한 레이저 파워 밀도에서의 반로그 출력 특성을 그림 3a에 나타냈습니다. 예상대로 더 많은 광생성 캐리어 유도로 레이저 파워 밀도 증가에 따라 광전류가 커집니다[62]. 그림 3b는 동일 레이저 파워 밀도지만 서로 다른 입사 파장(즉, 다른 빛 흡수량과 광여기 에너지)에서의 I-V 곡선입니다. 짧은 파장이 동일 레이저 파워 밀도에서 긴 파장보다 적은 광자를 가짐에도 불구하고, 이 경우 측정된 과도 전류는 조사 파장 감소에 따라 증가합니다. 이는 긴 파장에서 광흡수 감소 때문일 수 있습니다[63, 64]. 그림 3c는 10초 주기 레이저 조명 하 과도 전류를 보여주며 안정적인 재현성 있는 광응답을 나타냅니다[61]. 대부분의 광게이팅 효과 지배 저차원 포토디텍터는 연장된 초과 캐리어 수명으로 인해 제한된 응답 속도와 높은 응답도를 얻습니다[50, 65]. 상승/하강 시간은 광전류가 안정값의 10%/90%에서 90%/10%로 상승/하락하는 데 필요한 시간으로 정의됩니다[66, 67]. 비교적 긴 상승/하강 시간은 레이저 조명이 많은 결함 상태를 여기시켜 느린 캐리어 재결합에 기인해야 합니다[68]. 따라서 장수명 전하 트래핑 과정으로 인해 광게이팅 효과에 의해 응답 시간(상승+하강 시간)이 희생됩니다[57]. 일부 연구자들은 고품질 채널 물질이 캐리어 전달을 위한 매끄럽고 짧은 경로를 제공하고 최적 소자 구조가 응답 속도를 개선할 수 있다고 제안했습니다[69, 70]. 실제로 광감도 소자의 주요 지표는 주로 응답도(R)와 검출도(D*)입니다. R은 다음 관계로 계산됩니다:

R = I_ph / (P·S) (1)

여기서 P와 S는 각각 레이저 파워 밀도와 유효 소자 면적입니다[62, 71, 72]. 그림 3d는 다양한 레이저 파워 밀도 하 포토디텍터 R 값입니다. 최고 R은 ~567.6 A/W에 도달하여 경쟁력 있는 성능 파라미터를 제공합니다. 높은 R은 헤테로구조에서 광캐리어 재결합 억제와 MoS₂ 영역 전자 트래핑에 기인한 것으로 추정됩니다[22]. 레이저 파워 밀도 증가에 따른 R 감소는 포토디텍터의 광게이팅 효과를 추가로 입증합니다[73].

포토디텍터 광응답 거동. 405 nm 서로 다른 레이저 파워 밀도 하 I-V 특성(a)과 5 mW/cm² 동일 파워 밀도에서 서로 다른 입사 파장(b). (c) 입사광 주기적 온/오프 스위칭으로 흥분된 시간 분해 광응답. (d) 레이저 파워 밀도 함수로 추출된 R(검은 구슬). (c-d) 인가 전압 1 V

또한 광전류와 레이저 파워 밀도는 거듭제곱 법칙 방정식을 따릅니다:

I_ph = A·P^α (2)

여기서 A는 상수, 0 < α < 1. 그림 4a에서 I_ph 대 P 곡선 피팅으로 얻은 α 값은 캐리어 포획, 재결합, 전달 과정과 관련됩니다[74, 75]. I_ph와 P 사이의 아선형 관계는 소자 내 광게이팅 효과 존재를 추가로 시사합니다[65]. 낮은 파워 밀도 적용 시 광캐리어 재결합 감소와 캐리어 간 상호작용 감소로 더 높은 α 값(~0.73)을 얻을 수 있습니다[75, 76]. 반면 높은 파워 밀도는 더 강한 재결합 손실과 더 많은 트랩 상태로 인해 낮은 α 값(~0.55)을 초래합니다[77]. 계산된 D*의 전제조건은 포토디텍터가 쇼트 노이즈를 주요 노이즈 소스로 제한받는 것입니다[49, 66, 78]. D*를 더 정확히 평가하기 위해 그림 4b에서 서로 다른 주파수 하 노이즈 전류를 측정했습니다[74]. 그림 4b는 우리 포토디텍터에서 전형적인 1/f 노이즈[79]를 보여주며, 이는 신소재 반도체 산업에 중요한 걸림돌입니다. 이러한 노이즈는 주로 전도 채널 내 대전 불순물과 트래핑 사이트에서 기인합니다[57, 80]. 더 높은 물질 품질과 작은 구조적 결함 밀도가 1/f 노이즈 감소에 바람직합니다[81]. 다음 공식에 따라:

D* = R·(S·Δf)¹ᐟ² / I_noise (4)

여기서 Δf와 I_noise는 측정 대역폭과 노이즈 전류[79], 포토디텍터 검출도는 약 7.17 × 10¹¹ Jones입니다. 표 1은 2D 물질 기반 대표적 포토디텍터들과 해당 광응답 성능을 비교했습니다. 우리 포토디텍터의 상대적으로 높은 R과 D*는 광전자 소자에서 큰 잠재력을 보여줍니다.

a I_ph 대 레이저 파워 밀도 플롯. b 서로 다른 주파수 하 전류 파워 스펙트럼(S_I). (a-b) 인가 전압 1 V

결론

요약하자면, 측면 단일층 MoS₂/WS₂ 헤테로접합 기반 고성능 포토디텍터를 개발했습니다. 일액상 액상 CVD 법으로 성장한 채널 물질 크기는 밀리미터 규모에 도달합니다. 또한 체계적 물질 특성 분석과 후속 소자 측정으로 좋은 균일성과 날카로운 계면을 가진 고품질 채널 물질이 검증되었습니다. 특히 광게이팅 효과에 기인하여 포토디텍터에 567.6 A/W 높은 응답도와 ~10¹¹ Jones 검출도가 달성되었습니다. 제안된 측면 MoS₂/WS₂ 헤테로접합 포토디텍터 성능은 선행 연구[24, 62, 76, 78, 86, 97, 98]보다 우수하거나 비교 가능합니다. 또한 바람직하지 않은 1/f 노이즈가 캐리어 트래핑/디트래핑에서 기인한다고 보며, 고품질 결함 없는 채널 물질로 추가 감소 가능합니다. 용이한 일액상 액상 CVD 성장과 포토디텍터의 우수한 광전자 성능은 측면 헤테로구조 기반 광전자 소자 추가 연구를 동기부여할 수 있습니다.

데이터 및 재료 가용성

이 논문 결론을 뒷받침하는 데이터셋은 논문에 포함되어 있습니다.