高性能光検出のための界面誘導WSe2面内ホモ接合

要約

2D遷移金属ジカルコゲナイド（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にとって非常に魅力的です。特に、WSe ₂ は、バイポーラキャリア輸送能力とかなりのバンドギャップを備えており、将来の光検出器の有望な候補です。ここでは、面内WSe ₂について報告します。基板のインターフェースゲートによって形成されるホモ接合。このアーキテクチャでは、断熱されたh-BNフレークを使用してWSe ₂の一部のみを作成しました。フレーク接触基板を直接。最後に、WSe ₂の構造 /基質とWSe ₂ / h-BN /基板は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、異なるバイアスで光起電力モードと光伝導モードの両方で動作できます。その結果、応答性は1.07 A W ^-1 10 ¹² 以上の優れた検出力ジョーンズと106μsの高速応答時間が同時に得られます。以前に報告された、追加のバイアス電圧を使用した化学ドーピングまたは静電ゲーティングによって採用された方法と比較して、私たちの設計は、高性能WSe ₂の開発のためのより簡単で効率的な方法を提供します。ベースの光検出器。

はじめに

ここ10年で、2D遷移金属ジカルコゲナイド（TMDC）は、その特定の特性のために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、強力な光と物質の相互作用、および容易な処理により、将来のナノオプトエレクトロニクスデバイスに対して非常に競争力があります[1,2,3,4,5,6,7,8,9、 10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]。特に、二セレン化タングステン（WSe ₂ ）、簡単なキャリアタイプの操作を備えたバイポーラ半導体は、接合ベースの光検出器で非常に潜在的なアプリケーションを可能にします[21、22、23、24、25、26、27、28]。これまでのところ、WSe ₂のみでジャンクションを構築する主な戦略化学ドーピングと静電ゲーティングが含まれます。たとえば、最近、分子内WSe ₂ p-n接合が報告されました[26]。 WSe ₂内のn領域とp領域ポリエチレンイミンの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。 p-n接合は80mA W ^-1 の応答性を示しました応答時間は200μsです。 Sun etal。ドープされたWSe ₂ セチルトリメチルアンモニウムブロミドを使用して分子内p-n接合を形成し、応答性と応答時間は30 A W ^-1 それぞれ〜7ms [27]。 Baugher etal。横方向のWSe ₂を示します反対の極性を持つ2つのゲートバイアスを適用することによる静電ゲーティングによって達成されるp-n接合。 210 mA W ^-1 の応答性取得されています[28]。しかし、避けられない化学的不純物と必要な複数のバイアス設定のために、これらの方法は、接合ベースのデバイスの製造と適用を複雑で困難にします。さまざまな2D材料を組み立てて、WSe ₂のような垂直ファンデルワールスヘテロ構造を構築します。 / MoS ₂ ジャンクション[29]は、新しい光検出器の開発で人気があります。しかし、この構成では、異なる層状材料間のキャリア輸送のプロセスは、デバイスの応答速度を制限する界面欠陥の影響を受けます。金属と2D材料の間に形成されるショットキー接合の場合、ショットキーバリアの高さは通常、フェルミ準位のピン止めによって決定されます。これは制御不能であり、デバイスの応答性に大きな影響を与えます。さらに、報告された作品は、高い応答性と速い応答速度の両方を備えているようには見えません。

ここでは、面内WSe ₂を実現するための簡単で効率的な方法を示します。ホモ接合。アーキテクチャでは、WSe ₂の一部チャネルはSi / SiO ₂上にあります基板と他の部分はh-BNフレーク上にあります。この方式は、h-BNがゲート誘電体層として採用されているフローティング/セミフローティングゲートメモリで一般的です[30、31]。 h-BN層の片側に蓄積された電荷は、反対側の材料の導電率を調整することができます。ただし、私たちの作業では、完全なアイソレータとしてのh-BNフレークを使用して、WSe ₂に対するインターフェイスゲーティングの影響を排除しています。チャネル。 WSe ₂の極性、どの部分がSi / SiO ₂にのみ存在するか基板は、インターフェースゲートによって変調することができます。その結果、デバイスはゼロバイアスで光起電力（PV）モードで動作します。一方、高バイアスで光伝導（PC）特性を示します。 1.07 A W ^-1 の応答性 10 ¹² 以上の優れた検出力複雑なデバイス設計や追加の化学的不純物を導入するリスクなしに、ジョーンズと106μsの高速応答時間が同時に得られます。

結果と考察

図1aは、面内WSe ₂の概略図を示しています。ホモ接合。 WSe ₂の一部であることがわかりますフレークはh-BNフレーク（WSe ₂ -h）および他の部分はSi / SiO ₂に接触します直接基板（WSe ₂ -S）。 h-BNの機能は、Si / SiO ₂のインターフェースゲート（IG）を分離することです。 WSe ₂上の基板 -h。したがって、WSe ₂間のホモ接合の形成 -hおよびWSe ₂ -Sは、主にWSe ₂の極性を変調するIGに依存しています。 -S。 IGは、SiO ₂でトラップされた電荷によって生成されます。水面。これについては、以下で詳しく説明します。図1bは、デバイスの光学画像を示しています。 4つの電極（E1-E4、Ti / Au）は、電子ビームリソグラフィー、金属化、およびリフトオフプロセスによって準備されました。材料の厚さは、原子間力顕微鏡（AFM）によって特徴付けられます（図1cを参照）。 WSe ₂の高さ（h-BN）Si / SiO ₂と直接接触するフレーク基質（白い点線）は65（23）nmと測定されました（図1d、eを参照）。 WSe ₂の間の高さプロファイルには、鋭いステップではなく傾斜があることがわかります。（h-BN）およびSi / SiO ₂ 基板。これは、材料のエッジにフォトレジストが残っていることが原因である可能性があります。図1fは、WSe ₂のラマンスペクトルを示しています。およびh-BNフレーク。 WSe ₂の場合、一次E _2g およびA _1g ラマンモードは明確に区別されます〜250 cm ^-1 、WSe ₂ 多層形態を持っています[32、33]。 h-BNの場合、E _2gのラマンピーク〜1370 cm ^-1 でのモード観察されます。 h-BNのバンドギャップが大きいため、ラマン信号はWSe ₂の信号に比べて弱いです。 [34]。

WSe ₂に対する基質の影響を調査するには、WSe ₂の転送特性 -SおよびWSe ₂ -hは別々に研究されました。図2aに示すように、両方の伝達曲線は双極挙動を示し、WSe ₂の曲線に明らかなヒステリシスが見られます。 -S（黒）とWSe ₂の比較 -h（赤）。 WSe ₂の現在 -hはWSe ₂よりも高い -S。 WSe ₂の曲線の急な傾斜 -hは、キャリアの移動度に比例する比較的大きな相互コンダクタンスを示します。 WSe ₂の場合 -S、ヒステリシスは、SiO ₂での電荷トラップに起因します。表面[35,36,37,38]。 V の場合 _g -30から0Vまで掃引され、負の V _g WSe ₂になります穴があり、いくつかの穴をSiO ₂に押し込みます（図2bを参照）。 SiO ₂に閉じ込められた穴 WSe ₂を変調するために、正のローカルゲート、つまりIGを生成します。見返りにコンダクタンス（弱い枯渇効果）。したがって、 V の電荷中性点 _g − 5 V付近に表示されます。同様に、 V の場合 _g 30から0Vまで掃引され、正の V _g WSe ₂になります電子が存在し、一部の電子をSiO ₂に送り込みます（図2cを参照）。 SiO ₂にトラップされた電子 WSe ₂を変調するために負のIGを生成します見返りにコンダクタンス（同じ弱い枯渇効果）。したがって、 V の電荷中性点 _g 約5Vで表示されます。WSe₂の場合 -h、h-BNフレークはWSe ₂間のキャリア転送を禁止しますおよびSiO ₂ V の下 _g 変調。これが、WSe ₂の非自明なヒステリシスの理由です。 -h曲線。したがって、IGを利用するだけで面内ホモ接合を形成することができます。

図3aは、 I を示しています。 _d - V _d V での暗所と明所でのデバイスの曲線 _g =0V。ソース-ドレイン電圧が電極E2およびE3に印加されます（挿入図を参照）。短絡電流（ V で）が見られます _d =0 V）入射電力とともに増加し、PV効果を示します。興味深いことに、曲線は V でのPC特性も示しています _d =±1V。前者の場合、光電流はホモ接合に起因します。図3bに示すように、 V _d および V _g 0 Vに設定され、SiO ₂にすでにトラップされたいくつかの穴 WSe ₂を変調するために小さな正のIGを形成します -S。したがって、n ^- -タイプWSe ₂ -Sおよび組み込みWSe ₂ -h（h-BNフレークによる分離によるIGの影響なし）は、面内ホモ接合を構成します。照明下では、光励起された電子正孔対は、ホモ接合のビルトインフィールドによって分離されます。私 _d - V _d 曲線はゼロバイアスでPV特性をよく示しており、ホモ接合は、外部から印加された V と比較して比較的弱いビルトインフィールドが原因で、整流動作を示しませんでした。 _d 。後者の場合、WSe ₂全体光伝導体としてのフレークは、高バイアスで光信号に応答します。光励起されたキャリアは、 V によって電極に駆動されます _d 。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。さまざまな V の光パワーの関数としての責任 _d R によって与えられた図3cに要約されています。 =私 _ph / PA 、ここで I _ph 光電流、 P は電力強度であり、 A は検出器の有効感光領域です[39、40]。計算中、有効な感光領域、つまりWSe ₂ E2とE3の間の部分は115.75μm² 。 1.07 A W ^-1 の応答および2.96A W ^-1 V に対して取得されます _d それぞれ0Vと1Vの。特定の検出率（ D ^* ）重要なパラメータとして、弱い光信号に応答する光検出器の能力を決定します。暗電流によるショットノイズが主な原因であると仮定すると、 D ^* D として定義できます ^∗ = RA ^1/2 /（2 eI _暗い）^1/2 、ここで R は責任です、 A は有効な感光領域、 e は電子の電荷であり、 I _暗い暗電流です[41、42]。非常に低い I からの恩恵 _暗い、 D ^* 3.3×10 ¹² ジョーンズ（1ジョーンズ=1 cmHz ^1/2 W ^-1 ）および1.78×10 ¹¹ ジョーンズは V で達成されます _d それぞれ0Vと1Vの。さらに、性能指数のキー数値としての応答時間が研究されています。図3dに示すように、 V で取得された高電流状態と低電流状態 _d =0Vは光変調で得られました。過渡光応答は、非常に安定した再現性のある特性を示します。図3eは、時間応答の単一変調サイクルを示しています。立ち上がり時間（ t _r ）、電流が10％から増加するのに必要な時間として定義されます I _ピーク 90％まで私 _ピーク、〜106μsであることがわかり、立ち下がり時間（ t _f ）、同様に定義すると、〜91μsであることがわかりました。図S1は、 V で取得されたデバイスの時間応答を示しています。 _d =1V。 t _r および t _f それぞれ〜105μsと〜101μsであることがわかりました。表1は、報告されたWSe ₂をまとめたものです。さまざまな方法で形成されたホモ接合。明らかに、私たちの仕事のデバイスは高い D を持っています ^* 、同等の R 、および比較的速い応答速度。さらに、図S2は、他の3つのデバイスの光応答特性を示しています。明確なPV電流とPC電流は、それぞれゼロバイアスと高バイアスで観察できます。すべてのWSe ₂の検出性ホモ接合が10 ¹² より高いジョーンズであり、応答時間は100μs強であり、当社のデバイスが高性能光検出を非常にうまく繰り返すことができることを証明しています。

<図>

図4aおよびbは、 I を示しています。 _d - V _d WSe ₂の特徴 -hおよびWSe ₂ -Sは別に。両方のWSe ₂の曲線 -hおよびWSe ₂ -SはPC特性を示し、ゼロバイアスでは光電流はありません。実際、Ti / WSe ₂ / Tiは、反対のビルトインフィールドを持つ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想定されます。つまり、 I _d - V _d 曲線はゼロ点を横切り、PCの動作を示す必要があります。私たちの場合、WSe ₂の仕事関数が異なるため -hおよびWSe ₂ -S、2つの非対称ショットキー接点、つまりE2 / WSe ₂ -SおよびE3 / WSe ₂ -h、図4cに示すように。ゼロバイアスでは、ショットキー接合から発生する正味の光電流の方向はホモ接合の方向と反対であり、図3aに示す実験結果は後者と一致しています。したがって、WSe ₂の間に形成されたホモ接合 -hおよびWSe ₂ -S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に、 I を測定することによって出力特性を調査しました。 _d - V _d 電極E1およびE4にソース-ドレイン電圧が印加されたデバイスの曲線。図S3aに示すように、図3aの状況と同じ曲線も、PVおよびPCの特性を示しています。上で論じたように、前者の場合、光電流は、WSe ₂の間に形成された面内ホモ接合のビルトインフィールドに起因します。 -SおよびWSe ₂ -h。後者の場合、光電流は、外部から印加された V による光励起キャリアの収集に起因します。 _d 。さまざまな V の光パワーの関数としての責任 _d 図S3bに要約されています。 0.51 A W ^-1 の応答性（検出率）（2.21×10 ¹² jones）および3.55 A W ^-1 （5.54×10 ¹² jones）は V に対して取得されます _d それぞれ0Vと1Vの。計算中、有効な感光領域、つまりWSe ₂ E1とE4の間の部分は519.4μm² 。ゼロバイアスで測定された応答時間は、図S3cおよび3dに示されています。ここで、立ち上がり時間は289μs、立ち下がり時間は281μsです。 V の場合 _d 1 Vの場合（図S3eおよび3f）、立ち上がり時間と立ち下がり時間はそれぞれ278μsと250μsです。電極E2とE3の間で測定された応答速度よりも応答速度が少し遅くなります。これは、導電性チャネルが比較的長いため、光キャリアの伝送距離が長くなり、光キャリアと欠陥の間の相互作用の可能性が高くなるためです。

結論

要約すると、面内WSe ₂を示しました部分的なWSe ₂を電気的に調整することによるホモ接合インターフェイスゲートを介してフレーク。 2つのゲートバイアスを利用することによる化学ドーピングや静電ゲーティングなどの既存のアプローチと比較して、この設計はWSe ₂を実現するためのより簡単なルートを提供します。ホモ接合。光照射により、デバイスは3.3×10 ¹² の検出率で明確な短絡光電流を生成しますジョーンズ。高バイアスでは、デバイスは光伝導特性を示し、1.78×10 ¹¹ の検出率で光電流を生成します。ジョーンズ。 106μsという高速の応答時間も同時に得られます。私たちの調査は、高性能WSe ₂を開発するための効率的で信頼性の高い方法を提供します。ベースの光検出器。

メソッド

両方のWSe ₂ およびh-BNバルク材料はShanghaiOnway Technology Co.、Ltdから購入しました。最初に、h-BNおよびWSe ₂ フレークはp ⁺ に機械的に剥離されました -Si / SiO ₂ （300 nm）基板とポリジメチルシロキサン（PDMS）層。次に、マイクロマニピュレーターを使用してWSe ₂を配置しました。 PDMSに付着しているフレークを顕微鏡を通してターゲットh-BNフレークに付着させて位置を特定します。 WSe ₂の一部フレークはh-BNフレークとオーバーラップします。最後に、WSe ₂ フレークは、基板を加熱することによってPDMSから放出されました。電極（Ti / Au）は、電子ビームリソグラフィー、金属化、およびリフトオフプロセスによって準備されました。光応答測定は、AgilentB1500半導体パラメータアナライザと波長637nmのレーザーダイオードを使用して実施しました。

データと資料の可用性

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。

略語

TMDC：: 遷移金属ジカルコゲニド
PV：: 太陽光発電
PC：: 光伝導性
AFM：: 原子間力顕微鏡
IG：: インターフェイスゲート
PDMS：: ポリジメチルシロキサン

バインダーフリー電極とそのリチウムイオン電池への応用導電性アモルファスLLTO薄膜による電極の表面改質による4.5VでのLiCoO2の改善されたサイクル安定性

ナノマテリアル