Vorspannungsabhängige Photoempfindlichkeit von mehrschichtigen MoS2-Phototransistoren

Hintergrund

Vor kurzem wurden Übergangsmetall-Dichalkogenid (TMD)-Materialien einschließlich Molybdändisulfid (MoS₂ ) und Wolframdiselenid (WSe₂ ) haben als Kanalmaterial für nanoelektronische Bauelemente der nächsten Generation große Beachtung gefunden [1,2,3,4,5,6]. Insbesondere Dünnschichttransistoren, die MoS₂ . verwenden zeigen interessante elektrische Eigenschaften wie eine hohe Elektronenmobilität (~ 200 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ ), hohes ON/OFF-Verhältnis (~ 10 ⁸ ) und niedriger unterschwelliger Swing (~ 70 mV dec ⁻¹ ) in einem einschichtigen MoS₂ Transistor [7]. Darüber hinaus ist MoS₂ zieht aufgrund seiner Bandlückenenergie als lichtabsorbierende Schicht in optoelektronischen Geräten Aufmerksamkeit auf sich (einschichtiges MoS₂ hat eine direkte Bandlücke von 1,8 eV [8] und Bulk-MoS₂ hat eine indirekte Bandlücke von 1,2 eV [9]) und einen großen Absorptionskoeffizienten (α = 1–1,5 × 10 ⁶ cm ⁻¹ für einlagige [10] und 0.1–0.6 × 10 ⁶ cm ⁻¹ für Masse [11]). Daher sind Fototransistoren mit MoS₂ haben einen niedrigen Dunkelstrom im AUS-Zustand und eine hohe Lichtempfindlichkeit. Die Leistung von MoS₂ Phototransistoren wurden durch die Einführung einer zusätzlichen Schicht wie Graphen [12,13,14,15], Quantenpunkt [16,17,18], organischer Farbstoff [19], WS₂ . verbessert [20,21,22], ZnO [23] und p-Typ MoS₂ [24] oder durch Änderung des Gate-Dielektrikums [7, 25, 26]. Auf diese Weise wurden viele Studien aktiv durchgeführt, um die Lichtempfindlichkeit durch zusätzliche Herstellungsverfahren zu verbessern; es fehlt jedoch an Forschung zur Verstärkungsregelung und zum spezifischen Verständnis von MoS₂ Fototransistoren. Wenn die Verstärkungsregelung aktiviert ist, kann ein breiter Bereich von Lichtintensitäten zuverlässig erfasst und die Verstärkung ohne zusätzlichen Herstellungsprozess erhöht werden. In diesem Zusammenhang haben wir die vorspannungsgesteuerte (Drain oder Gate) Photoresponsivität in mehrschichtigem MoS₂ . untersucht Fototransistoren.

Methoden

Abbildung 1a zeigt das schematische Diagramm des hergestellten mehrschichtigen MoS₂ Fototransistor. Wir haben das 250 nm SiO₂ . gezüchtet auf einem stark n-dotierten Siliziumsubstrat. Das mehrschichtige MoS₂ Flocken wurden mechanisch vom Bulk-MoS₂ . abgezogen (Graphene Supermarket, USA) und in ein SiO₂ . überführt /Si-Substrat unter Verwendung des herkömmlichen Scotch-Tape-Verfahrens [27]. Die Source- und Drain-Elektroden wurden durch Photolithographie gemustert und Ti/Au (5/80 nm) wurde auf den gemusterten unter Verwendung eines Elektronenstrahlverdampfers abgeschieden. Abbildung 1b zeigt das AFM-Bild (Atomic Force Microscope) des hergestellten Fototransistors. Die Kanallänge und -breite betragen 7,31 bzw. 4,74 µm, und der Einschub zeigt die Dicke des mehrschichtigen MoS₂ beträgt ungefähr 49 nm, was ungefähr 75 Schichten entspricht, unter der Annahme, dass die Dicke einer Schicht 0,65 nm beträgt [28, 29].

Das hergestellte MoS₂ Fototransistor und elektrische Eigenschaften. a Schematische Darstellung des hergestellten mehrschichtigen MoS₂ Fototransistor. b Rasterkraftmikroskop (AFM)-Bild des Fototransistors. Der Einschub ist das Querschnittsdiagramm entlang der roten Linie im AFM-Bild. c Übertragungseigenschaften des mehrschichtigen MoS₂ Fototransistor mit den Drainspannungen von 3, 9, 15, 21 und 27 V im Dunkeln. d Variationen des unterschwelligen Swings mit zunehmendem Drain-Bias

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1c zeigt die Übertragungseigenschaften des mehrschichtigen MoS₂ Fototransistor mit Drain-Vorspannungen von 3, 9, 15, 21 und 27 V im Dunkeln. Die Strom-Spannungs-Kennlinie des hergestellten mehrschichtigen MoS₂ Phototransistor wurden mit einem Zweikanal-Sourcemeter (Keithley 2614B) bei Raumtemperatur und N₂ . gemessen Umgebungs. Das EIN/AUS-Verhältnis beträgt ungefähr 10 ⁵ . Die Feldeffektmobilität wurde auf 18,6 cm ² . geschätzt /V s für eine Drain-Vorspannung von 3 V aus der folgenden Gleichung [26]:

wo L ist die Kanallänge, W ist die Kanalbreite und die Oxidkapazität C _OX ist 1,38 × 10 ^–8 F/cm ² . Es wurde deutlich beobachtet, dass bei Erhöhung der Drain-Vorspannung die Schwellenspannung abnimmt und die Unterschwellenschwingung zunimmt. Dies zeigt an, dass die Schwellenspannung und der Unterschwellenhub durch die Drain-Vorspannung beeinflusst werden. Im Allgemeinen wird die Schwellenspannung durch die Gleichung geschätzt:

wo V _GS (0) ist der Schnittpunkt zwischen der Trendlinie in einem linearen Teil der Übertragungskurve und dem x -Achse. Gl. (2) nimmt einen kleinen Drain-Bias an, sodass die Geschwindigkeitssättigungseffekte vernachlässigbar sind (V _DS L ν _Sat /μ _eff = 10 V, wobei ν _Sat ist die Sättigungsgeschwindigkeit und μ _eff ist die Feldeffektmobilität); daher ist es schwierig, die genaue Schwellenspannung für eine große Drain-Vorspannung zu extrahieren. Aus diesem Grund haben wir nur die Änderung des unterschwelligen Swings extrahiert und den Effekt des Drain-Bias auf den Kanal bestätigt. Abbildung 1d zeigt die Änderung der unterschwelligen Schwingung, die aus der Steigung des linearen Teils des log(I _D ) − (V _GS ) Diagramm für verschiedene Drain-Bias. Der unterschwellige Ausschlag stieg von 1,44 V/Dekade auf 3,14 V/Dekade, wenn die Drain-Vorspannung von 3 auf 27 V erhöht wurde. Dies impliziert, dass eine große Drain-Vorspannung die Barriere zwischen den MoS₂ . senkt Kanal und die Au-Source-Elektrode, wodurch die Kanalsteuerbarkeit der Gate-Vorspannung geschwächt wird.

Um die Reaktionsfähigkeit des MoS₂ . zu untersuchen Phototransistors haben wir die Übertragungseigenschaften bei verschiedenen Beleuchtungsleistungsdichten unter Verwendung eines diodengepumpten Festkörperlasers (DPSS) mit einer Wellenlänge von 466 nm gemessen. Abbildung 2a zeigt die Übertragungseigenschaften des mehrschichtigen MoS₂ Fototransistor im Dunkeln und unter drei verschiedenen Lichtintensitäten (5, 7 und 10 mW/cm ² ) bei einer Drainspannung von 3 V. Mit zunehmender Lichtintensität verschiebt sich die Transferkurve nach links, was zeigt, dass die photogenerierten Löcher im MoS₂ . gefangen sind Kanal und wirken als positive Gate-Vorspannung [13, 30, 31]. Abbildung 2b zeigt, dass die Variation des Photostroms und der Empfindlichkeit bei Zunahme der Lichtintensität und der Drain-Vorspannung bei einer konstanten Gate-Vorspannung von − 30 V ansteigt. Der Photostrom wird durch die Differenz zwischen dem Drain-Strom bei Beleuchtung und im Dunkeln (I _ph = Ich _beleuchtet − ich _dunkel ), und die Reaktionsfähigkeit wird definiert durch I _ph /P _Licht , wo ich _ph ist der Photostrom und P _Licht ist die auf dem MoS₂ . beleuchtete optische Leistung Kanal. Wenn die Drain-Vorspannung und die Lichtintensität zunehmen, nehmen der Photostrom und das Ansprechvermögen zu. Betrachtet man einen Laser mit einer Wellenlänge von 466 nm, beträgt die Empfindlichkeit entsprechend 100 % der externen Quanteneffizienz (EQE) 0,375 A/W, und die gemessene Empfindlichkeit überschreitet diesen Wert, wenn die Drain-Vorspannung 15 V beträgt und die Lichtintensität . ist 8 mW/cm ² . Dies bedeutet, dass es in diesem mehrschichtigen MoS₂ . einen Photoreaktionsgewinn gibt Fototransistor und dass er von der Drain-Vorspannung beeinflusst wird.

Photoreaktionseigenschaften von MoS₂ Fototransistoren je nach Beleuchtungsstärke. a Übertragungseigenschaften mit konstantem V _DS = 3 V unter Beleuchtung mit drei verschiedenen Lichtintensitäten (5, 7 und 10 mW/cm ² ). b Änderung des Photostroms mit Zunahme der Lichtintensität bei unterschiedlichen Drain-Vorspannungen (V _DS = 9, 15 V) und eine konstante Gate-Vorspannung (V _GS = − 30 V) werden angelegt

Um die Änderung der Photoempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Gatespannung zu beobachten, haben wir den Photostrom gemessen, während die Drainspannung von 3 auf 27 V unter 5 mW/cm ² . erhöht wurde Lichtbeleuchtung (Abb. 3a). Wenn die angelegte Gate-Vorspannung zunimmt, steigt der Photostrom im AUS-Zustand exponentiell (V _GS < V _te ) und wird im EIN-Zustand gesättigt (V _te < V _GS ). Dies liegt daran, dass, wenn die angelegte Gate-Vorspannung – 30 V (AUS-Zustand) beträgt und er leuchtet (Fig. 3b), eine große Barriere zwischen den MoS₂ . gebildet wird Kanal und die Source/Drain-(Au)-Elektroden. Somit werden die zur Aufrechterhaltung der Kanalneutralität benötigten Elektronen, die durch die eingefangenen Löcher zerstört wurde, nicht gut in den Kanal injiziert. Wenn die Gate-Vorspannung jedoch bis zur Schwellenspannung ansteigt, wird die Barriere kleiner und die Elektronen können leicht in das MoS₂ . diffundieren Kanal. Daher steigt der Photostrom vor der Schwellenspannung exponentiell an. Wenn andererseits die Gate-Vorspannung größer wird als die Schwellenspannung, d. h. wenn die Vorrichtung eingeschaltet wird, wird die Barriere ausreichend abgesenkt und der Photostrom gesättigt (Fig. 3c). Es wurde auch festgestellt, dass der Photostrom sowohl im AUS- als auch im EIN-Zustand zunimmt, wenn die Drain-Vorspannung zunimmt. Dies bedeutet, dass im Gegensatz zu den Photoreaktionseigenschaften des herkömmlichen Phototransistors, die nur im AUS-Zustand gemessen werden [26, 32], selbst im EIN-Zustand eine Photoreaktionsverstärkung vorhanden ist, wenn die Drainspannung ansteigt.

Lichtreaktion von MoS₂ Fototransistoren abhängig von der angelegten Vorspannung. a Fotostrom bei verschiedenen Drain-Vorspannungen (3, 9, 15, 21 und 27 V) und einer konstanten Lichtintensität (5 mW/cm ² ) abhängig von der Gate-Vorspannung. b, c Die Energiebanddiagramme eines mehrschichtigen MoS₂ Fototransistor

Um den Effekt des Drain-Bias auf die Lichtempfindlichkeit des MoS₂ . zu überprüfen, Phototransistors in den AUS- und EIN-Zuständen wurden die Photoreaktionseigenschaften gemessen, indem er mit Licht beleuchtet und auf eine Gate-Vorspannung von – 30 bzw. 27 V entsprechend dem AUS-Zustand bzw. EIN-Zustand fixiert wurde. Fig. 4a zeigt die Änderung des Photostroms, und Fig. 4b zeigt die Ansprechempfindlichkeit und die spezifische Detektivität gemäß der Drain-Vorspannung im AUS-Zustand. Die spezifische Detektivität wird aus der Gleichung [26, 33] extrahiert:

wo R ist die Reaktionsfähigkeit, A ist die Fläche des MoS₂ Kanal, q ist die Einheitsgebühr und I _dunkel ist der dunkle Strom. Im AUS-Zustand nehmen der Photostrom und die Ansprechempfindlichkeit mit einer höheren Drain-Vorspannung exponentiell zu. Daher betrug der Photostrom (Reaktionsempfindlichkeit) 4,28 × 10 ⁻¹⁴ A (0,12 A/W) bei einer Drain-Vorspannung von 3 V und einer Lichtintensität von 10 mW/cm ² , stark gestiegen auf 1,57 × 10 ⁻⁸ A (4,53 A/W), wenn eine Drain-Vorspannung von 27 V angelegt wurde. Diese Ergebnisse zeigen, dass der Photostrom und die Ansprechempfindlichkeit mit der Zunahme der Drain-Vorspannung exponentiell zunehmen. Andererseits nehmen im EIN-Zustand der Photostrom (Fig. 4c) und die Ansprechempfindlichkeit (Fig. 4d) linear zu und werden mit zunehmender Drain-Vorspannung gesättigt. Bei konstanter Lichtintensität von 5 mW/cm ² und die Drain-Vorspannung wurde von 3 auf 27 V erhöht, der Photostrom (Reaktionsempfindlichkeit) wurde von 2,9 × 10 ^–6 . um das Fünffache erhöht A (1677 A/W) bis 1,5 × 10 ⁻⁵ A (8667 A/W). Darüber hinaus zeigte die Detektivität die gleiche Tendenz wie die Reaktionsfähigkeit. Im AUS-Zustand (Abb. 4b) stieg sie von 1,76 × 10 ⁸ . an Jones auf 2,87 × 10 ⁸ Jones, als die Drain-Vorspannung bei einer Lichtintensität von 10 mW/cm ² . von 3 auf 27 V erhöht wurde . Im EIN-Zustand (Abb. 4d) stieg sie von 6,14 × 10 ⁹ . an Jones auf 8,63 × 10 ⁹ Jones, als die Drain-Vorspannung von 3 auf 27 V bei einer Lichtintensität von 5 mW/cm ² . erhöht wurde . Da der Diffusionsstrom im AUS-Zustand dominant ist, steigt die Ansprechempfindlichkeit daher exponentiell an, wenn die Drain-Vorspannung ansteigt. Andererseits ist der Driftstrom im EIN-Zustand dominant; daher steigt die Ansprechempfindlichkeit linear an, wenn die Drain-Vorspannung erhöht wird.

Photoresponse-Eigenschaften, gemessen bei vier verschiedenen Bestrahlungsstärken (5, 7, 8 und 10 mW/cm ² ) wenn die Drain-Vorspannung erhöht wird. a Fotostrom, b Reaktionsfähigkeit und spezifische Detektivität im AUS-Zustand. Einsätze in a und b sind mit der logarithmischen Skala des Photostroms bzw. der Empfindlichkeit aufgetragen. c Fotostrom, d Reaktionsfähigkeit und spezifische Detektivität im EIN-Zustand

Die beobachteten Drain-Bias-abhängigen Eigenschaften des mehrschichtigen MoS₂ Phototransistor kann durch das schematische Energiebanddiagramm in Abb. 5 erklärt werden. Wenn der mehrschichtige MoS₂ Kanal beleuchtet, werden die Elektron-Loch-Paare im Kanal photogeneriert. Die photogenerierten Löcher sind im MoS₂ . gefangen Kanal, wodurch die Neutralität des Kanals gebrochen wird. Dann zieht der positiv geladene Kanal mehr Elektronen von der Quelle an, um die Neutralität aufrechtzuerhalten, und wie viele Elektronen von der Quelle zugeführt werden, bestimmt die Photoreaktionsverstärkung. Wenn die angelegte Gate-Vorspannung unter dem Schwellenwert liegt, besteht eine große Barriere zwischen dem MoS₂ Kanal und Source, wie in Fig. 5a gezeigt, und der Drainstrom wird durch die Diffusion über die Barriere begrenzt. Wenn die angelegte Drain-Vorspannung zunimmt (Abb. 5b), wird die Barriere aufgrund der Biegung des MoS₂ . gesenkt Kanal, wodurch die Zufuhr von Elektronen für die Kanalneutralität erleichtert wird. Daher verbessert sich, wie in Fig. 4b gezeigt, die Photoempfindlichkeit exponentiell für die Drain-Vorspannung. Wenn die angelegte Gate-Vorspannung über dem Schwellenwert liegt, wird die Barriere zwischen MoS₂ und Source ausreichend niedrig ist (Fig. 5c), wird der Drainstrom durch die Trägerdrift im Kanal begrenzt. Daher ist die Trägerdriftgeschwindigkeit ein Hauptfaktor bei der Variation der Lichtempfindlichkeit. In diesem Bereich nimmt die Ladungsträgergeschwindigkeit und die Photoempfindlichkeit mit zunehmender angelegter Drain-Vorspannung (Fig. 5d) linear zu und sättigen sich bei einer bestimmten Drain-Vorspannung (~ 10 V), wie in Fig. 4d gezeigt.

Energiebanddiagramm von mehrschichtigem MoS₂ Fototransistor unter Beleuchtung bei einem Low-Drain-Bias im AUS (V _GS < V _te ) Zustand (a ) und ein High-Drain-Bias im AUS-Zustand (b ). Ein Low-Drain-Bias im ON (V _GS> V _te ) Zustand (c ) und ein High-Drain-Bias im EIN-Zustand (d )

Schlussfolgerungen

Wir haben ein mehrschichtiges MoS₂ . hergestellt -basierter Phototransistor und untersuchte seine Bias (Drain oder Gate) gesteuerte Photoresponsivität im Detail. Die Änderung der Lichtempfindlichkeit gemäß der Vorspannung kann in zwei Fälle eingeteilt werden:wenn die Gate-Vorspannung kleiner als die Schwellenspannung ist (AUS-Zustand) und wenn die Gate-Vorspannung größer ist als die Schwellenspannung (EIN-Zustand). Wenn die Gate-Vorspannung kleiner als die Schwellenspannung ist, diffundiert aufgrund der großen Barriere zwischen MoS₂ . eine kleine Menge Elektronen in den Kanal und Quellenelektrode. Wenn die Gate- oder Drain-Vorspannungen zunehmen, nimmt die Höhe der Barriere ab und die Anzahl der zur Neutralität in den Kanal injizierten Elektronen nimmt zu. Als Ergebnis nimmt die Photoempfindlichkeit exponentiell zu. Wenn andererseits die Gate-Vorspannung größer als die Schwellenspannung ist, wird die Photoempfindlichkeit eher durch die Trägergeschwindigkeit als durch die Höhe der Barriere beeinflusst, da der Strom durch die Trägerdriftgeschwindigkeit begrenzt wird. Wenn die Drain-Vorspannung ansteigt, steigt die Trägergeschwindigkeit linear an und wird gesättigt. Daher steigt die Lichtempfindlichkeit linear an und wird gesättigt. Wir konnten die Empfindlichkeitsschwankungen bei mehrschichtigem MoS₂ . verstehen -basierte Fototransistoren entsprechend der Gate- oder Drain-Vorspannung. Dadurch kann die Verstärkung gesteuert werden, um den Anwendungsbereich des MoS₂ . zu erhöhen Fototransistor und optimal zu betreiben, je nach Einsatzzweck und Umgebung.