多層MoS2フォトトランジスタのバイアス依存光応答性

背景

最近、二硫化モリブデン（MoS ₂ ）を含む遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）材料 ）および二セレン化タングステン（WSe ₂ ）次世代ナノ電子デバイスのチャネル材料としてかなりの注目を集めています[1,2,3,4,5,6]。特に、MoS ₂ を使用する薄膜トランジスタ 高い電子移動度（〜200cm ² ）などの興味深い電気的特性を示します V ^-1 s ^-1 ）、高電流ON / OFF比（〜10 ⁸ ）、および低いサブスレッショルドスイング（〜70 mVdec ^-1 ）単層MoS ₂ トランジスタ[7]。さらに、MoS ₂ バンドギャップエネルギー（単層MoS ₂ ）により、オプトエレクトロニクスデバイスの光吸収層として注目されています。 1.8eVの直接バンドギャップ[8]とバルクMoS ₂ 1.2 eVの間接バンドギャップ[9]）と大きな吸収係数（α =1–1.5×10 ⁶ cm ^-1 単層[10]および0.1–0.6×10 ⁶ の場合 cm ^-1 バルク用[11]）。したがって、MoS ₂ を使用するフォトトランジスタ オフ状態での暗電流が低く、光応答性が高い。 MoS ₂ のパフォーマンス グラフェン[12,13,14,15]、量子ドット[16,17,18]、有機色素[19]、WS ₂ などの追加の層を導入することにより、フォトトランジスタが改善されました。 [20,21,22]、ZnO [23]、およびp型MoS ₂ [24]またはゲート誘電体を変更することによって[7、25、26]。このように、追加の製造プロセスを通じて光応答性を改善するために、多くの研究が積極的に実施されてきました。ただし、MoS ₂ のゲイン制御と具体的な理解に関する研究は不足しています。 フォトトランジスタ。ゲイン制御を有効にすると、広範囲の光強度を確実に検出でき、追加の製造プロセスなしでゲインを上げることができます。これに関連して、多層MoS ₂ におけるバイアス（ドレインまたはゲート）制御の光応答性を調査しました。 フォトトランジスタ。

メソッド

図1aに、作製した多層MoS ₂ の概略図を示します。 フォトトランジスタ。 250nmのSiO ₂ を成長させました 高濃度にnドープされたシリコン基板上。多層MoS ₂ フレークはバルクMoS ₂ から機械的に剥離されました （米国グラフェンスーパーマーケット）およびSiO ₂ に転送 従来のスコッチテープ法による/ Si基板[27]。ソース電極とドレイン電極はフォトリソグラフィーによってパターン化され、Ti / Au（5/80 nm）は電子ビーム蒸発器を使用してパターン化された上に堆積されました。図1bは、作製したフォトトランジスタのAFM（原子間力顕微鏡）画像を示しています。チャネルの長さと幅はそれぞれ7.31と4.74μmで、挿入図は多層MoS ₂ の厚さを示しています。 は約49nmであり、1つの層の厚さを0.65 nmと仮定すると、約75層に相当します[28、29]。

製造されたMoS ₂ フォトトランジスタと電気的特性。 a 作製した多層MoS ₂ の概略図 フォトトランジスタ。 b フォトトランジスタの原子間力顕微鏡（AFM）画像。挿入図は、AFM画像の赤い線に沿った断面プロットです。 c 多層MoS ₂ の伝達特性 暗所でのドレイン電圧が3、9、15、21、27Vのフォトトランジスタ。 d ドレインバイアスの増加に伴うサブスレッショルドスイングの変動

結果と考察

図1cは、多層MoS ₂ の伝達特性を示しています。 暗所でドレインバイアスが3、9、15、21、27Vのフォトトランジスタ。製造された多層MoS ₂ の電流-電圧特性 フォトトランジスタは、デュアルチャネルソースメータ（Keithley 2614B）を使用して、室温およびN ₂ で測定されました。 アンビエント。オン/オフ比は約10 ⁵ 。電界効果の移動度は18.6cm ² と推定されました。 次の式[26]からの3Vのドレインバイアスの場合の/ V s：

ここで L はチャネル長、 W はチャネル幅であり、酸化物の静電容量 C _OX は1.38×10 ^-8 F / cm ² 。ドレインバイアスが増加すると、しきい値電圧が減少し、サブスレッショルドスイングが増加することがはっきりと観察されました。これは、スレッショルド電圧とサブスレッショルドスイングがドレインバイアスの影響を受けていることを示しています。一般に、しきい値電圧は次の式で推定されます。

ここで、 V _GS （0）は、伝達曲線の線形部分の傾向線と x の間の切片です。 -軸。ただし、式。 （2）速度飽和の影響が無視できるように、小さなドレインバイアスを想定しています（ V _DS 〈〈 L ⋅ν _土 / μ _eff =10V、ここでν _土 は飽和速度であり、μ _eff 電界効果移動度です）;したがって、大きなドレインバイアスの正確なしきい値電圧を抽出することは困難です。このため、サブスレッショルドスイングの変化のみを抽出し、チャネルに対するドレインバイアスの影響を確認しました。図1dは、ログの線形部分の傾きから抽出されたサブスレッショルドスイングの変化を示しています（ I _D ）−（ V _GS ）さまざまなドレインバイアスのグラフ。ドレインバイアスが3から27Vに増加すると、サブスレッショルドスイングは1.44 V / decadeから3.14V / decadeに増加しました。これは、ドレインバイアスが大きいとMoS ₂ 間のバリアが低下することを意味します。 チャネルとAuソース電極により、ゲートバイアスのチャネル制御性が弱まります。

MoS ₂ の応答性を調査するには フォトトランジスタでは、466 nmの波長のダイオード励起ソリッドステート（DPSS）レーザーを使用して、さまざまな照明パワー密度での伝達特性を測定しました。図2aは、多層MoS ₂ の伝達特性を示しています。 暗所および3つの異なる光強度（5、7、および10 mW / cm ² ）でのフォトトランジスタ ）、3 Vのドレイン電圧で。光強度が増加すると、伝達曲線は左にシフトします。これは、光生成された正孔がMoS ₂ にトラップされていることを示しています。 チャネルし、正のゲートバイアスとして機能します[13、30、31]。図2bは、-30 Vの一定のゲートバイアスで光強度とドレインバイアスが増加したときの光電流と応答性の変化を示しています。光電流は、照明下と暗所でのドレイン電流の差によって得られます（ I _ph =私 _{照らされた} − 私 _暗い ）、応答性は I によって定義されます _ph / P <サブ>ライト 、ここで I _ph は光電流であり、 P <サブ>ライト MoS ₂ で照らされる光パワーです チャネル。ドレインバイアスと光強度が増加すると、光電流と応答性が増加します。波長466nmのレーザーを考えると、外部量子効率（EQE）の100％に対応する応答性は0.375 A / Wであり、ドレインバイアスが15 Vで光強度が8 mW / cm ² 。これは、この多層MoS ₂ に光応答ゲインがあることを意味します フォトトランジスタと、それがドレインバイアスの影響を受けること。

MoS ₂ の光応答特性 照射光強度に応じたフォトトランジスタ。 a V が一定の伝達特性 _DS =3つの異なる光強度（5、7、および10 mW / cm ² ）の照明下で3 V ）。 b ドレインバイアスが異なる場合の光強度の増加に伴う光電流の変化（ V _DS =9、15 V）および一定のゲートバイアス（ V _GS =− 30 V）が適用されます

ゲート電圧による光応答性の変化を観察するために、5 mW / cm ² でドレイン電圧を3Vから27Vに上げながら光電流を測定しました。 光照明（図3a）。印加されるゲートバイアスが増加すると、光電流はオフ状態（ V ）で指数関数的に増加します。 _GS < V _th ）そしてON状態（ V ）で飽和状態になります _th < V _GS ）。これは、印加されたゲートバイアスが− 30V（OFF状態）で点灯している場合（図3b）、MoS ₂ の間に大きなバリアが形成されるためです。 チャネルおよびソース/ドレイン（Au）電極。したがって、トラップされた正孔によって破壊されたチャネルの中性を維持するために必要な電子は、チャネルに十分に注入されません。ただし、ゲートバイアスがしきい値電圧まで増加すると、バリアが小さくなり、電子がMoS ₂ に拡散しやすくなります。 チャネル。したがって、光電流はしきい値電圧の前に指数関数的に増加します。一方、ゲートバイアスがしきい値電圧より大きくなると、つまりデバイスがオンになると、バリアが十分に低下し、光電流が飽和します（図3c）。ドレインバイアスが増加すると、オフ状態とオン状態の両方で光電流が増加することにも気づきました。これは、オフ状態でのみ測定される従来のフォトトランジスタの光応答特性とは異なり[26、32]、ドレイン電圧が上昇するにつれてオン状態でも光応答ゲインが得られることを意味します。

MoS ₂ の光応答 適用されるバイアスに応じたフォトトランジスタ。 a さまざまなドレインバイアス（3、9、15、21、および27 V）および一定の光強度（5 mW / cm ² ）での光電流 ）ゲートバイアスに依存します。 b、c 多層MoS ₂ のエネルギーバンド図 フォトトランジスタ

MoS ₂ の光応答性に対するドレインバイアスの影響を検証するため フォトトランジスタをOFF状態とON状態で、光を照射し、OFF状態とON状態に対応するゲートバイアス-30Vと27Vに固定して光応答特性を測定しました。図4aは光電流の変化を示し、図4bはオフ状態でのドレインバイアスに応じた応答性と比検出率を示しています。特定の検出率は、式[26、33]から抽出されます。

ここで R は責任です、 A MoS ₂ の面積です チャネル、 q は単位料金であり、 I _暗い 暗電流です。オフ状態では、ドレインバイアスが高くなると、光電流と応答性が指数関数的に増加します。したがって、4.28×10 ^-14 であった光電流（応答性） ドレインバイアスが3V、光強度が10 mW / cm ² の場合のA（0.12 A / W） 、1.57×10 ^-8 に急激に増加 27 Vドレインバイアスが印加されたときのA（4.53 A / W）。これらの結果は、光電流と応答性がドレインバイアスの増加とともに指数関数的に増加することを示しています。一方、ON状態では、光電流（図4c）と応答性（図4d）は直線的に増加し、ドレインバイアスが増加するにつれて飽和状態になります。光強度が5mW / cmで一定の場合 ² ドレインバイアスが3Vから27Vに増加すると、光電流（応答性）は2.9×10 ^-6 から5倍に増加しました。 A（1677 A / W）から1.5×10 ^-5 A（8667 A / W）。さらに、検出性は応答性と同じ傾向を示しました。オフ状態（図4b）では、1.76×10 ⁸ から増加しました。 ジョーンズから2.87×10 ⁸ 10 mW / cm ² の光強度でドレインバイアスが3から27Vに増加したときのジョーンズ 。オン状態（図4d）では、6.14×10 ⁹ から増加しました。 ジョーンズから8.63×10 ⁹ 5 mW / cm ² の光強度でドレインバイアスが3から27Vに増加したときのジョーンズ 。したがって、OFF状態では拡散電流が支配的であるため、ドレインバイアスが増加すると応答性が指数関数的に増加します。一方、ON状態ではドリフト電流が支配的です。したがって、ドレインバイアスが増加すると、応答性は直線的に増加します。

4つの異なる放射照度（5、7、8、および10 mW / cm ² ）で測定された光応答特性 ）ドレインバイアスが増加したとき。 a 光電流、 b 応答性、およびオフ状態での特定の検出性。 a の挿入図 および b それぞれ、光電流と応答性の対数スケールでプロットされます。 c 光電流、 d 応答性、およびオン状態での特定の検出性

多層MoS ₂ の観測されたドレインバイアス依存特性 フォトトランジスタは、図5に示す概略エネルギーバンド図で説明できます。多層MoS ₂ の場合 チャネルが照らされると、電子正孔対がチャネル内で光生成されます。光生成された穴はMoS ₂ にトラップされます チャネル、したがってチャネルの中立性を壊します。次に、正に帯電したチャネルがソースからより多くの電子を引き付けて中性を維持し、ソースから供給される電子の量によって光応答ゲインが決まります。適用されるゲートバイアスがしきい値を下回ると、MoS ₂ の間に大きな障壁が生じます。 図5aに示すように、チャネルとソース、およびドレイン電流は、バリアを介した拡散によって制限されます。適用されるドレインバイアスが増加すると（図5b）、MoS ₂ の曲げによりバリアが低下します。 チャネル、それによってチャネルの中立性のための電子の供給を容易にします。したがって、図4bに示すように、光応答性はドレインバイアスに対して指数関数的に向上します。適用されたゲートバイアスがしきい値を超えると、MoS ₂ 間のバリア ソースが十分に低い場合（図5c）、ドレイン電流はチャネル内のキャリアドリフトによって制限されます。したがって、キャリアドリフト速度は光応答性変動の主要な要因です。このレジームでは、適用されるドレインバイアスが増加すると（図5d）、図4dに示すように、キャリア速度と光応答性が直線的に増加し、特定のドレインバイアス（〜10V）で飽和します。

多層MoS ₂ のエネルギーバンド図 オフ（ V ）の低ドレインバイアスでの照明下のフォトトランジスタ _GS < V _th ）状態（ a ）およびオフ状態での高ドレインバイアス（ b ）。オンの低ドレインバイアス（ V _GS > V _th ）状態（ c ）およびオン状態での高ドレインバイアス（ d ）

結論

多層MoS ₂ を製作しました ベースのフォトトランジスタとそのバイアス（ドレインまたはゲート）制御の光応答性を詳細に調査しました。バイアスによる光応答性の変化は、ゲートバイアスがスレッショルド電圧よりも小さい場合（OFF状態）と、ゲートバイアスがスレッショルド電圧よりも大きい場合（ON状態）の2つの場合に分類できます。ゲートバイアスがしきい値電圧よりも小さい場合、MoS ₂ 間の大きな障壁により、少量の電子がチャネルに拡散します。 およびソース電極。ゲートまたはドレインのバイアスが増加すると、バリアの高さが減少し、中性のためにチャネルに注入される電子の数が増加します。その結果、光応答性は指数関数的に増加します。一方、ゲートバイアスがしきい値電圧よりも大きい場合、電流はキャリアドリフト速度によって制限されるため、光応答性はバリアの高さではなくキャリア速度の影響を受けます。ドレインバイアスが増加すると、キャリア速度は直線的に増加し、飽和状態になります。したがって、光応答性は直線的に増加し、飽和状態になります。多層MoS ₂ の応答性の変化を理解することができました ゲートまたはドレインバイアスに応じたベースのフォトトランジスタ。これにより、ゲインを制御して、MoS ₂ の適用範囲を広げることができます。 フォトトランジスタと、目的や環境に応じて最適に動作するようにします。