界面ゲートによる面内WSe₂ホモ接合: 高性能フォトディテクターの実現

概要

二次元遷移金属ダルコゲナイド（TMDC）は、その独自の特性によりナノエレクトロニクスおよびナノオプトエレクトロニクス分野で広く注目されています。特にWSe₂は、双極性キャリア輸送能と適度なバンドギャップを持つため、将来のフォトディテクターに有望な材料です。本研究では、基板の界面ゲートを利用して面内WSe₂ホモ接合を形成することを報告します。この構造では、絶縁体であるh-BNフレークを用いてWSe₂フレークの一部のみが基板と直接接触するように設計されています。これにより、WSe₂/基板とWSe₂/h-BN/基板の構造が面内ホモ接合を構築します。興味深いことに、このデバイスは異なるバイアス条件下で光起電力モードと光伝導モードの両方で動作可能です。その結果、1.07 A/Wの応答度、10¹²ジョーンズを超える優れた検出率、106 μsの高速応答時間を同時に達成しました。従来の化学ドーピングや追加バイアス電圧を必要とする静電ゲート法と比較して、本設計は高性能WSe₂ベースフォトディテクターの開発においてより容易かつ効率的なアプローチを提供します。

はじめに

この10年間、二次元遷移金属ダルコゲナイド（TMDC）はその特異な特性により大きな注目を集めています。高い面内移動度、調整可能なバンドギャップ、機械的柔軟性、強い光-物質相互作用、容易なプロセス性は、将来のナノオプトエレクトロニクスデバイスに非常に競争力があります。特にタングステンジセレナイド（WSe₂）は、キャリアタイプの容易な制御が可能な双極性半導体であり、接合ベースのフォトディテクターへの応用が大いに期待されています。これまで、WSe₂単体で接合を構築する主な戦略には化学ドーピングと静電ゲートがありました。例えば、最近、分子内WSe₂ p-n接合が報告されました。WSe₂内のn領域とp領域は、ポリエチレンイミンによる化学ドーピングとバックゲート制御によってそれぞれ形成されました。このp-n接合は80 mA/Wの応答度と200 μsの応答時間を示しました。Sunらはセチルトリメチルアンモニウムブロミドを用いてWSe₂をドープし、分子内p-n接合を形成しました。その応答度と応答時間はそれぞれ30 A/Wと約7 msでした。Baugherらは、相反する極性の2つのゲートバイアスを印加する静電ゲートによって横方向WSe₂ p-n接合を実証し、210 mA/Wの応答度を得ました。しかし、避けられない化学不純物と複数のバイアス設定の必要性により、これらの方法では接合ベースデバイスの製造と応用が複雑かつ困難になります。WSe₂/MoS₂接合のような様々な二次元材料を積層して垂直ファンデルワールスヘテロ構造を構築することは、新規フォトディテクター開発で一般的になりつつあります。しかし、この構成では異なる層状材料間のキャリア輸送が界面欠陥の影響を受け、デバイス応答速度が制限されます。また、金属と二次元材料の間に形成されるショットキー接合では、ショットキー障壁高さが通常フェルミレベルピニングによって決まり、制御不能でデバイス応答度に大きな影響を与えます。さらに、従来の研究では高応答度と高速応答速度の両立が困難でした。

本研究では、面内WSe₂ホモ接合を実現するより容易で効率的な方法を示します。この構造では、WSe₂チャネルの一部がSi/SiO₂基板上に、もう一部がh-BNフレーク上に配置されます。このスキームは浮遊/半浮遊ゲートメモリで一般的で、h-BNがゲート絶縁層として採用されています。h-BNの片側に蓄積した電荷は、反対側の材料の伝導度を制御できます。本研究では、h-BNフレークを完全な絶縁体として用い、WSe₂チャネルへの界面ゲート効果を排除します。Si/SiO₂基板上にのみ接するWSe₂部分の極性は界面ゲートによって変調可能です。その結果、デバイスはゼロバイアスで光起電力（PV）モードで良好に動作し、同時に高バイアスでは光伝導（PC）特性を示します。複雑なデバイス設計や追加の化学不純物導入リスクなしに、1.07 A/Wの応答度、10¹²ジョーンズを超える優れた検出率、106 μsの高速応答時間を同時に達成しました。

結果と考察

図1aは面内WSe₂ホモ接合の模式図を示します。WSe₂フレークの一部がh-BNフレーク上に（WSe₂-h）、もう一部がSi/SiO₂基板と直接接触しています（WSe₂-S）。h-BNの役割は、Si/SiO₂基板の界面ゲート（IG）がWSe₂-hに及ぼす影響を遮断することです。したがって、WSe₂-hとWSe₂-Sの間のホモ接合形成は、主にIGによるWSe₂-Sの極性変調に依存します。IGはSiO₂表面のトラップ電荷によって生成されます。詳細は後述します。図1bはデバイスの光学顕微鏡像を示します。4つの電極（E1-E4、Ti/Au）は電子ビームリソグラフィ、金属蒸着、リフトオフプロセスで作製されました。材料の厚さは原子間力顕微鏡（AFM）で評価されました（図1c参照）。Si/SiO₂基板と直接接触するWSe₂（h-BN）フレークの高さ（白点線）はそれぞれ65 nm（23 nm）と測定されました（図1d、e参照）。WSe₂（h-BN）とSi/SiO₂基板の間の高さプロファイルには急峻な段差ではなく傾斜が見られます。これは材料端部の残留フォトレジストによる可能性があります。図1fはWSe₂とh-BNフレークのラマンスペクトルを示します。WSe₂では、一次E₂gおよびA₁gラマンモードが約250 cm⁻¹で明確に区別され、WSe₂が多層構造であることを示唆しています。h-BNでは、約1370 cm⁻¹のE₂gモードのラマンピークが観察されます。h-BNの大きなバンドギャップのため、WSe₂と比較してラマン信号は弱くなっています。

基板がWSe₂に及ぼす影響を調べるため、WSe₂-SとWSe₂-hの伝達特性を別々に調査しました。図2aに示すように、両方の伝達曲線は双極性挙動を示し、WSe₂-S（黒）の曲線にはWSe₂-h（赤）と比較して明確なヒステリシスが観察されます。WSe₂-hの電流はWSe₂-Sより高く、WSe₂-hの曲線の急峻な傾きは比較的大きなトランスコンダクタンス、すなわちキャリア移動度に比例することを示しています。WSe₂-Sのヒステリシスは、SiO₂表面での電荷トラップに起因します。Vgが-30 Vから0 Vにスイープされると、負のVgによりWSe₂に正孔が充填され、一部の正孔がSiO₂内に駆動されます（図2b参照）。SiO₂にトラップされた正孔は正の局所ゲート、すなわちIGを生成し、逆にWSe₂伝導度を変調します（弱い空乏効果）。したがって、Vgの電荷中立点は約-5 V付近に現れます。同様に、Vgが30 Vから0 Vにスイープされると、正のVgによりWSe₂に電子が充填され、一部の電子がSiO₂内に駆動されます（図2c参照）。SiO₂にトラップされた電子は負のIGを生成し、同様の弱い空乏効果でWSe₂伝導度を変調します。したがって、Vgの電荷中立点は約5 V付近に現れます。WSe₂-hの場合、h-BNフレークがVg変調下でのWSe₂とSiO₂間のキャリア移動を阻害するため、WSe₂-h曲線に明確なヒステリシスが見られません。したがって、IGを利用することで面内ホモ接合を簡単に形成できます。

図3aは、Vg=0 Vにおけるデバイスの暗条件および光照射下でのId-Vd曲線を示します。ソース-ドレイン電圧は電極E2とE3間に印加されます（インセット参照）。短絡電流（Vd=0 V）が入射光パワーの増加に伴って増加することがわかり、光起電力効果を示しています。興味深いことに、曲線はVd=±1 Vで光伝導特性も示しています。前者の光電流はホモ接合に起因します。図3bに示すように、VdとVgが0 Vに設定されていても、SiO₂にすでにトラップされた少数の正孔が小さな正のIGを形成し、WSe₂-Sを変調します。したがって、n⁻型WSe₂-Sと本質的なWSe₂-h（h-BNフレークによるIG効果の遮断により）が面内ホモ接合を構成します。光照射下では、光励起電子-正孔対がホモ接合の内部電場によって分離されます。Id-Vd曲線がゼロバイアスで光起電力特性をよく示すものの、外部印加Vdと比較して内部電場が比較的弱いため、ホモ接合は整流挙動を示しませんでした。後者の場合、高バイアスではWSe₂フレーク全体が光伝導体として光信号に応答します。光励起キャリアはVdによって電極へ駆動されます。したがって、図3aの光応答はPVモードとPCモードの相乗効果の結果です。異なるVdにおける光パワーの関数としての応答度を図3cにまとめました。応答度R = Iph/PAで定義され、Iphは光電流、Pは光パワー強度、Aは検出器の実効感光面積です。計算では、実効感光面積、すなわちE2とE3間のWSe₂部分は115.75 μm²です。Vdが0 Vと1 Vのとき、それぞれ1.07 A/Wと2.96 A/Wの応答度が得られました。検出器が微弱光信号に応答する能力を決定する重要なパラメータである特定検出率（D*）は、暗電流からのショットノイズが主要寄与と仮定すると、D* = RA¹/²/(2eIdark)¹/²で定義されます。極めて低いIdarkの恩恵を受け、Vd=0 Vで3.3×10¹²ジョーンズ、Vd=1 Vで1.78×10¹¹ジョーンズのD*が達成されました。さらに、重要な指標である応答時間も調査しました。図3dに示すように、Vd=0 Vで光変調によりハイとローの電流状態が得られました。過渡光応答は高い安定性と再現性を示します。図3eは単一変調サイクルの時間応答を示します。立ち上がり時間（tr）、すなわち電流がピーク電流の10%から90%に増加するのに必要な時間は約106 μs、立ち下がり時間（tf）は約91 μsでした。図S1はVd=1 Vでのデバイス時間応答を示し、trとtfはそれぞれ約105 μsと約101 μsでした。表1は、異なる方法で形成されたWSe₂ホモ接合の報告値をまとめています。明らかに、本研究のデバイスは高いD*、同等のR、比較的高速な応答速度を持っています。さらに、図S2は他の3デバイスの光応答特性を示します。ゼロバイアスと高バイアスで明確なPV電流とPC電流が観察され、すべてのWSe₂ホモ接合の検出率は10¹²ジョーンズ以上、応答時間は100 μs強であり、本デバイスが高性能光検出を再現性よく実現できることを証明しています。

図4a、bはWSe₂-hとWSe₂-SのId-Vd特性を別々に示します。両方とも光伝導特性を示し、ゼロバイアスでの光電流はありません。実際、Ti/WSe₂/Tiは相反する内部電場を持つ2つのショットキー接合を含む金属/半導体/金属構造を形成すると考えられるため、Id-Vd曲線は零点を通過しPC挙動を示すはずです。本ケースでは、WSe₂-hとWSe₂-Sの仕事関数差により、E2/WSe₂-SとE3/WSe₂-hの2つの非対称ショットキー接触が存在します（図4c参照）。ゼロバイアスでは、ショットキー接合に由来する正味光電流の方向はホモ接合でのそれとは逆であり、図3aの実験結果は後者と整合します。したがって、WSe₂-hとWSe₂-S間に形成されるホモ接合が短絡光電流の理由です。

ゼロバイアスでの光応答がホモ接合に起因することをさらに実証するため、電極E1とE4間にソース-ドレイン電圧を印加したデバイスのId-Vd曲線を測定し、出力特性を調査しました。図S3aに示すように、曲線は図3aの場合と同様にPV特性とPC特性の両方を示します。前述の通り、前者の光電流はWSe₂-SとWSe₂-h間に形成される面内ホモ接合の内部電場に起因し、後者の光電流は外部印加Vdによる光励起キャリアの収集に起因します。異なるVdにおける光パワー関数としての応答度を図S3bにまとめました。計算では、実効感光面積、すなわちE1とE4間のWSe₂部分は519.4 μm²です。Vd=0 Vと1 Vで、それぞれ0.51 A/W（2.21×10¹²ジョーンズ）と3.55 A/W（5.54×10¹²ジョーンズ）の応答度（検出率）が得られました。ゼロバイアスでの応答時間は図S3c、dに示し、立ち上がり時間289 μs、立ち下がり時間281 μsでした。Vd=1 Vの場合（図S3e、f）、立ち上がりと立ち下がり時間はそれぞれ278 μsと250 μsでした。応答速度はE2-E3間測定よりやや遅く、これは比較的長い導電チャネルが光キャリアの伝送距離と光キャリア-欠陥相互作用の確率を増加させるためです。

結論

要約すると、界面ゲートを通じてWSe₂フレークの一部を電気的に変調することで、面内WSe₂ホモ接合を実証しました。化学ドーピングや2つのゲートバイアスを利用する静電ゲートのような既存手法と比較して、本設計はWSe₂ホモ接合を実現するより容易な経路を提供します。光照射下では、デバイスは3.3×10¹²ジョーンズの検出率を持つ明確な短絡光電流を生成します。高バイアスでは、デバイスは光伝導特性を示し、1.78×10¹¹ジョーンズの検出率で光電流を生成します。106 μsという高速応答時間も同時に得られました。本研究は、高性能WSe₂ベースフォトディテクターの開発に向けた効率的で信頼性の高い方法を提供します。

方法

WSe₂とh-BNのバルク材料は上海Onway Technology Co., Ltd.から購入しました。まず、h-BNとWSe₂フレークを機械的剥離によりそれぞれp⁺-Si/SiO₂（300 nm）基板とポリジメチルシロキサン（PDMS）層上に作製しました。次に、マイクロマニピュレーターを用いて、PDMSに付着したWSe₂フレークを顕微鏡下で位置合わせしながら対象のh-BNフレーク上に転写しました。WSe₂フレークの一部がh-BNフレークと重なります。最後に、基板を加熱してWSe₂フレークをPDMSから剥離しました。電極（Ti/Au）は電子ビームリソグラフィ、金属蒸着、リフトオフプロセスで作製しました。光応答測定はAgilent B1500半導体パラメータアナライザと波長637 nmのレーザーダイオードを用いて行いました。

データと材料の入手可能性

本研究の知見を支持するデータは、妥当な要請に基づき責任著者から入手可能です。

略語

TMDCs:

遷移金属ダルコゲナイド

PV:

光起電力

PC:

光伝導

AFM:

原子間力顕微鏡

IG:

界面ゲート

PDMS:

ポリジメチルシロキサン