横方向の単分子層MoS2 / WS2ヘテロ接合に基づく光検出器

はじめに

ほぼ5兆ドルの半導体チップ市場を考えると、2次元（2D）材料は現在、ムーアの法則を拡張するための最も実現可能で有望な候補の1つです[1,2,3,4,5]。 2Dファミリーの代表的なメンバーとして、遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）は、その独特の光電子特性と、光検出および発光デバイスでの潜在的な用途[6,7,8,9,10,11,12]により、集中的に研究されてきました。 [13、14]。特に、調整可能なバンドギャップ、高いキャリア移動度、高い光吸収、および原子的に薄い厚さにより、TMDは光検出器に適したチャネル材料となり、オプトエレクトロニクスまたは電子デバイスで重要な役割を果たします[15、16]。キャリアトラップ効果を引き起こすTMDの結晶欠陥は、高い感光性をもたらす可能性がありますが、それでも応答速度が遅くなることは避けられません[17]。さらに、一部の研究者は、2D材料の限られた光利用を高めるためのプラズモン増強を提案しています[18、19、20]。それぞれの優位性を組み合わせ、接合部で独自の電子輸送を示すことで、横方向のステッチまたは縦方向のスタッキングのいずれかのTMDヘテロ構造が提示されます[21]。このようなヘテロ構造は、固有の電子特性を調整し、光吸収を改善することができ[22]、新たな設計可能な機能を示します[13、23]。たとえば、TMDヘテロ構造によって誘発されるビルトイン電界[24]またはエネルギー準位差[25]は、光キャリア分離[26]を加速し、光キャリア再結合[17、27]を抑制し、暗電流[28]も低下させるはずです。高性能光検出を実現するために有益です。さらに、Wangのグループ[29]は、横方向のヘテロ構造における抑制された電子正孔（e–h）再結合を認定しています。以前に報告されたように、横方向のヘテロ構造はより高いキャリア移動度を示しましたが[30]、垂直方向のヘテロ構造は通常、光活性領域を増加させ[27]、および/または領域あたりの電流駆動を強化しました[31]。さらに、横方向のヘテロ構造の面内界面は、両側よりも強い発光強度を示した[14]。ただし、直接放射再結合が減少しているため、垂直ヘテロ界面で抑制されたフォトルミネッセンス（PL）発光が観察される可能性があります[32]。さらに、横方向と縦方向の両方のTMDヘテロ構造により、新しい励起子遷移を作成できます[14]。

結晶格子の品質に関しては、MoX ₂ / WX ₂ （X =S、SeまたはTe）横方向のヘテロ接合は、類似したハニカム状の構成[33、34]および格子定数[34]のため、構造上の欠陥をほとんど誘発しません。さらに、この種のヘテロ接合は、一般にタイプIIバンドアラインメントを形成する可能性があり、これは高効率の光検出に望ましい[32、34、35]。前の研究によると、横方向の単分子層MoS ₂ / WS ₂ ヘテロ接合は、WS ₂ に局在する価電子帯最大値（VBM）でタイプIIバンドアラインメントを示すことが好ましい MoS ₂ での伝導帯の最小値（CBM） [32、34]。たとえば、Wuのグループは、MoS ₂ のVBMとCBMについてさらに報告しています。 WS ₂ より0.39eVおよび0.35eV低い 、それぞれ[34]。さらに、MoS ₂ 間のバンドオフセット およびWS ₂ バンドアラインメントの決定は、MoとWの異なるd軌道位置を介して推定できます[34]。垂直方向のヘテロ構造は、機械的な移動とスタックによって作成できますが、横方向のヘテロ構造は、成長法によってのみ実現できます[14]。さらに、以前に報告されたように、垂直ヘテロ構造は正確に制御することができず、層間の界面で容易に汚染されます[33]。幸いなことに、横方向のヘテロ構造は、汚染を減らすためにワンステップ法で合成することができます[28]。今日、大面積で高品質のラテラル単層TMDヘテロ構造の成長は大きな課題であり続けています[36]。したがって、高品質で大面積のラテラルTMDヘテロ接合は重要であり、高性能光検出器の開発に望まれています。

ここでは、横方向の単分子層MoS ₂ / WS ₂ 鋭い界面とワンステップ液相CVD法による良好な均一性を備えたヘテロ接合が準備され、これらのヘテロ構造に基づいて光検出器が製造されます。提示された光検出器は、567.6 A / Wおよび7.17×10 ¹¹ の高い応答性と検出性を提供できます。 それぞれジョーンズ。この作品は、横方向の単分子層MoS ₂ / WS ₂ ヘテロ接合は、次世代のオプトエレクトロニクスアプリケーションの適格な候補として機能します。

メソッド

ヘテロ構造合成

0.05 gのタングステン酸ナトリウム、0.5gのモリブデン酸アンモニウムおよび0.12gのNaOH（またはKOH）粒子を10 mLの脱イオン（DI）水に溶解して、前駆体溶液を得ました。成長基板（サファイア）をピラニア溶液で処理して表面の親水性を改善した後、前駆体溶液をきれいなサファイア基板上に均一にスピンコーティングしました。その後、前駆体で覆われたサファイアと硫黄を、それぞれ加熱中心と石英管の上流に配置しました。加熱センターを40分で700°Cまで上昇させ、MoS ₂ を成長させるために10分間維持しました。 -OH二重層（つまり、MoS ₂ 単層およびOHの単層 ^- 付着したイオン）。最後に、キャリアガスをArからAr / H ₂ に変更しました。 （5％H ₂ ）、および加熱センターを10分以内に780°Cに加熱し、WS ₂ を可能にするために10分間保持しました。 MoS ₂ の端に沿って成長する –OH二重層、MoS ₂ を形成 / WS ₂ 横方向のヘテロ構造。ヘテロ構造合成の詳細については、前の研究[30]を参照してください。

転送プロセス

WS ₂ の転送には、ポリスチレン（PS）を使用した方法を使用しました。 / MoS ₂ サファイアからSiO ₂ までの横方向のヘテロ構造 / Si基板。 PS溶液（9gのPSを100mLのトルエンに溶解）を最初にヘテロ構造に3500 rpmで60秒間スピンコートし、次にサンプルを90°Cで10分間ベークしてトルエンを除去します。その後、WS ₂ / MoS ₂ –PSフィルムは水滴と浮かぶWS ₂ によって得られます / MoS ₂ –PSフィルムはきれいなSiO ₂ で浚渫されます / Si基板。 WS ₂ / MoS ₂ –PS-SiO ₂ / Siサンプルを80°Cで1時間、次に150°Cで30分間ベークしてポリマーを広げ、しわの可能性を排除します。最後に、トルエンで数回すすいでPSフィルムを取り除き、WS ₂ を取得します。 / MoS ₂ -SiO ₂ / Siサンプル。

デバイス製造

標準の電子ビームリソグラフィー（EBL）を使用して、成長したままの横方向の単分子層MoS ₂ 上のマーカーと電極パターンを定義しました。 / WS ₂ ヘテロ接合。 Ti / Au電極（10 nm / 100 nm）をチャネル上で蒸発させ、アセトン中で持ち上げました。デバイスを400°Cで2時間真空中で熱アニーリングし、室温まで急速に冷却しました。

材料の特性評価

光学画像はOLYMPUS顕微鏡（LV100ND）で撮影しました。ラマン、PL、およびAFMマッピング画像は、532 nmのレーザーを備えたラマン-AFM共焦点分光計（Witec、alpha300 RA）で測定されました。

デバイスの特性評価

光検出器の光電子特性は、SemiProbeプローブステーションと半導体パラメーターアナライザー（Keithley 4200）およびPlatform Design Automation（PDA、FS-Pro）を使用して測定されました。光検出器の光応答を測定するために、光源として異なる波長のレーザーが使用されました。さまざまなレーザー密度が照射計で測定されました。

結果と考察

図1aは、CVDで成長させた横方向の単分子層ヘテロ構造の光学画像を、光学的コントラストで示しています。図1aの1と2とマークされた異なる位置から得られた対応するラマンスペクトルは、内部MoS ₂ の構成を確認します。 （385.5 cm ^-1 および405.3cm ^-1 ）および外部WS ₂ （351.5 cm ^-1 および416.5cm ^-1 ）図1b [30]。 MoS ₂ の高い結晶品質 およびWS ₂ 対応するラマンスペクトルで酸化ピークが観察されないため、これは暗示されています[37]。特に、MoS ₂ の固有ピーク およびWS ₂ 両方とも、図1aの3とマークされたステッチされたインターフェースで観察され、インターフェースで2つの材料が形成されていることを示しています。さらに、E _2g 間の周波数差 モードとA _1g MoS ₂ のモード は19.8cm ^-1 、単層1を示唆している[30、38、39]。 WS ₂ を検討する場合 、352 cm ^-1 での縦音響モード（2LA）[40]のピーク強度比 A _1g へ モード、つまりI _2LA / I _A1g 、周波数差よりも厚さを検証する方が正確です[14]。単層WS ₂ と一致して、比率は〜2と推定されました。 532nmレーザーで測定[14]。 E _2g の明確な赤方偏移 モード（面内振動）は、横方向のヘテロ接合での合金化効果[41]に起因して観察できます。特に、この同様の動作は、誘電体スクリーニングと層間結合によって引き起こされる垂直ヘテロ接合でも観察されました[42]。さらに、ラマンマッピングの結果は図1cで、MoS ₂ の青色の領域があります。 そしてWS ₂ の赤い領域 シームレスな高品質の面内ヘテロ構造を示します[13、43]。図1d、eは、MoS ₂ を使用した構成も示しています。 内部およびWS ₂ それぞれPLマッピングによる外部[13]。 WS ₂ で強化されたPL強度を示すいくつかのポイント 領域は、不純物または空孔によって引き起こされるキャリアの不均一性として説明される場合があります[14]。さらに、MoS ₂ よりもインターフェースでのPL放出が強い 領域は、キャリアの不均一な分布またはエッジでのより高い光誘起キャリア再結合率として解釈できます[14]。ラマンマッピングとPLマッピングはどちらも、MoS ₂ 間のシャープで適切にステッチされたインターフェースを示唆しています。 およびWS ₂ [14、44]。厚さと表面形態は、トラッピングモードを備えた原子間力顕微鏡（AFM）によって測定されました。図1f [14、46]に示すように、電荷キャリアのスキャット[45]をもたらす粒界はほとんど観察されませんが、エッジはより優れた電気輸送性能を示しています。 WS ₂ の厚さ 外側は〜0.7 nm（下）で、CVDで成長したWS ₂ と一致しています。 以前に報告された単層[47]、およびWS ₂ 間の高さの違い およびMoS ₂ は約0.25nm（上）で、単層のMoS ₂ を意味します。 [47]。全体として、上記の材料特性評価の結果は、横方向の単分子層MoS ₂ を示すことができます。 / WS ₂ シャープなインターフェースを備えたヘテロ接合。

成長したままの横方向単分子層MoS ₂ の材料特性評価結果 / WS ₂ ヘテロ構造。 （ a） 横方向の単分子層MoS ₂ の光学画像 / WS ₂ ヘテロ接合。 （ b） （ a の1、2、3でマークされたサイトから得られたラマンスペクトル ）、 それぞれ。ラマンマッピング画像（ c ）、MoS ₂ のPLマッピング画像 地域（ d ）およびWS ₂ 地域（ e ）（ a の赤い枠で囲まれた領域から ）。対応する偽色のバーが（ c の下部に挿入されます ）–（ e ）。 （ f ）青の対応する断面高さプロファイル（WS ₂ の間） およびMoS ₂ ）と白（WS ₂ の間 および基板）AFM形態画像でマークされた線

光検出器は、横方向のMoS ₂ に基づくEBLシステムを使用して製造されました。 / WS ₂ ヘテロ接合。図2aは、ラテラルヘテロ接合デバイスの概略図（上）と対応するタイプIIバンドアライメント（下）を示しています。したがって、電子と正孔は転送され、MoS ₂ に閉じ込められます。 およびWS ₂ それぞれ、界面を介した領域で、光電変換を実現します[13、21、24、48]。これは、光伝導効果の特殊なケースなどの光ゲーティング効果に起因すると考えられます[49]。フォトゲーティング効果は、チャネルコンダクタンスを変調するローカルフォトゲートとして機能します[50]。有効デバイス面積が〜40μm ² のデバイスの光学画像 図2bに、ソース電極とドレイン電極としてE1電極とE2電極を使用して説明します。ヘテロ接合構成を理解するために、複合ラマンマッピングが実行され（図2c）、横方向のMoS ₂ のチャネル材料を示しています。 / WS ₂ 測定されたソース電極とドレイン電極（E1およびE2）間のヘテロ接合[28]。青、赤、暗いセクションはMoS ₂ です。 、WS ₂ それぞれ、金属電極。図2dは、それぞれ405 nm、520 nm、635nmの可視光下での横方向ヘテロ接合の片対数出力特性曲線を示しています。図2dの挿入図は、線形の I-V を示しています。 チャネルと電極間の関係[51、52、53、54、55、56]。線形 I – V 特性は、高い応答性を達成するのに役立ちますが、高い暗電流のために光検出器の感度が低くなります[57]。さらに、 I _ph （つまり、私 <サブ>ライト – 私 _暗い ）光検出器のは、熱アニーリング前の12.5倍に増加します。これは、接触抵抗の減少[46、58]、欠陥の除去[59]、および導電率の改善[60]に起因する可能性があります。図2eは、上記の波長によって励起された光スイッチング特性を示しています。過渡電流は、ライトがオンのときに急速に上昇し、ライトがオフになるとすぐに低下します。これは、この光検出器が迅速な光作動スイッチとして機能できることを意味します[61]。

光検出器の光電子特性。 （ a） 光検出器の概略図と提案されたバンドアライメント。光学画像（ b ）および対応する結合ラマンマッピング（ c ）光検出器の。 E1とE2は、測定されたデバイスのソース電極とドレイン電極を表します。片対数（ d ）および線形（（ d）の挿入図 ）私 – V 特性と光スイッチング特性（ e ）光検出器の

同じ波長でレーザー出力密度が異なる片対数出力特性を図3aに示します。予想通り、より多くの誘導光生成キャリアのためにレーザー出力密度が増加するにつれて、光電流は拡大します[62]。図3bは、 I を示しています – V レーザー出力密度は同じで、入射波長が異なる（つまり、光吸収量と光励起エネルギーが異なる）曲線。同じレーザー出力密度での長波長と比較して、短波長はより少ない光子を持っていますが。この場合、測定された過渡電流は、照射波長の減少とともに増加します。これは、より長い波長での光吸収の低下が原因である可能性があります[63、64]。図3cは、10秒間の周期的なレーザー照射下での過渡電流を示しており、安定した再現性のある光応答を示しています[61]。フォトゲーティング効果が支配的なほとんどの低次元光検出器では、過剰なキャリア寿命が長くなるため、応答速度が制限され、応答性が高くなります[50、65]。立ち上がり/立ち下がり時間は、光電流が安定値の10％/ 90％から90％/ 10％に立ち上がり/立ち下がりするのに必要な時間として定義されます[66、67]。比較的長い立ち上がり/立ち下がり時間は、多くの欠陥状態を励起するレーザー照射に起因する遅いキャリア再結合によって引き起こされるはずです[68]。したがって、立ち上がり時間と立ち下がり時間を含む応答時間は、長寿命の電荷トラッププロセスのためにフォトゲーティング効果によって犠牲になりました[57]。一部の研究者は、キャリア転送のためのスムーズで短いパスと最適なデバイス構造を提供できる高品質のチャネル材料が応答速度を改善できると提案しています[69、70]。実際、感光性デバイスの性能指数は主に責任があります（ R ）および検出性（ D *）。 R

光検出器の光応答挙動。 私 – V さまざまな405nmレーザー出力密度での特性（ a ）および5 mW / cm ² のさまざまな入射波長の下で （ b ）。 （ c） 入射光の周期的なオン/オフ切り替えによって励起される時間分解光応答。 （ d） 抽出された R （黒い球）レーザー出力密度の関数として。 （ c の印加電圧 – d ）は1 V

ここで P および S は、それぞれレーザー出力密度と有効デバイス面積です[62、71、72]。図3dは、対応する R の値を示しています。 異なるレーザー出力密度の下での光検出器の性能。チャンピオン R 最大〜567.6 A / Wに達し、競争力のあるパフォーマンスパラメータを提供します。高い R これは、MoS ₂ での電子トラップとともに、ヘテロ構造での光キャリア再結合の抑制に起因します。 おそらく地域[22]。減少した R レーザー出力密度が増加すると、光検出器でのフォトゲーティング効果がさらに明らかになります[73]。

さらに、光電流とレーザー出力密度はべき乗則の式に従います。

ここで A は定数であり、0 <α <1. αの値 、 I の曲線をあてはめて得られます _ph 対 P 図4aは、キャリアの捕捉、再結合、および転送のプロセスに関連しています[74、75]。 I 間の劣線形関係 _ph および P さらに、デバイスにフォトゲーティング効果が存在することを示唆しています[65]。光キャリアの再結合とキャリア間の相互作用が減少するため、より低い電力密度が適用されると、より高いαの値（〜0.73など）を得ることができます[75、76]。対照的に、より高い電力密度は、より強い再結合損失とより多くのトラップ状態のために、〜0.55の劣化したα値をもたらす可能性があります[77]。計算された D の前提条件 *方程式を介して

（a） I のプロット _ph 対レーザー出力密度。 （ b） 現在の電力スペクトル（ S _私 ）異なる周波数で。 （ a–b の印加電圧 ）は1 V

光検出器は、主なノイズ源としてのショットノイズによって制限されるということです[49、66、78]。 D をさらに評価するため *より正確には、図4bで得られたノイズ電流はさまざまな周波数で測定されます[74]。図4bは、光検出器の典型的な1 / fノイズ[79]を示しています。これは、新しい材料による半導体産業の大きな障害です。この種のノイズは、主に導電性チャネルの帯電した不純物とトラップサイトに起因します[57、80]。 1 / fノイズを低減するには、より高い材料品質と小さな構造欠陥密度が望まれます[81]。

ここで、Δ f および私 _ノイズ は測定帯域幅とノイズ電流[79]であり、光検出器の検出率は約7.17×10 ¹¹ です。 ジョーンズ。表1は、いくつかの選択された代表的な光検出器を、2D材料に基づく対応する光応答性能と比較しています。比較的高い R および D *当社の光検出器のうち、オプトエレクトロニクスデバイスに大きな可能性を示しています。

結論

要約すると、高性能光検出器は、横方向の単分子層MoS ₂ に基づいて開発されました。 / WS ₂ ヘテロ接合。ワンステップ液相CVD法で成長させたチャネル材料のサイズは、ミリメートルスケールに達します。さらに、優れた均一性とシャープなインターフェースを備えた高品質のチャネル材料を、体系的な材料特性評価とその後のデバイス測定によって調べました。特に、567.6 A / Wの高い応答性と〜10 ¹¹ の検出性 ジョーンズは、フォトゲーティング効果に起因する光検出器で達成されます。提案されたラテラルMoS ₂ のパフォーマンス / WS ₂ ヘテロ接合光検出器は、報告されている研究[24、62、76、78、86、97、98]よりも優れているか同等です。さらに、電荷キャリアのトラップ/デトラップから生じる望ましくない1 / fノイズは、高品質で欠陥のないチャネル材料によってさらに低減される可能性があると考えられます。光検出器の容易なワンステップ液相CVD成長と優れたオプトエレクトロニクス性能は、横方向のヘテロ構造に基づくオプトエレクトロニクスデバイスに関するさらなる研究の動機付けとなる可能性があります。

データと資料の可用性

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