In-Plane-WSe₂-Homojunction durch Interface-Gating: Ein Hochleistungs-Photodetektor

Zusammenfassung

Zweidimensionale Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDCs) sind aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften für Nanoelektronik und Nanooptoelektronik von großem Interesse. Insbesondere WSe₂, das einen bipolaren Ladungstransport und eine beträchtliche Bandlücke aufweist, ist ein vielversprechender Kandidat für zukünftige Photodetektoren. Hier berichten wir über eine In-Plane-WSe₂-Homojunction, die durch das Interface-Gating des Substrats gebildet wird. In dieser Architektur wurde ein isolierter h-BN-Flake verwendet, sodass nur ein Teil des WSe₂-Flakes direkten Kontakt zum Substrat hat. Schließlich bilden die Strukturen WSe₂/Substrat und WSe₂/h-BN/Substrat eine In-Plane-Homojunction. Interessanterweise kann das Gerät sowohl im photovoltaischen als auch im photoleitenden Modus bei unterschiedlichen Bias-Spannungen betrieben werden. Es werden eine Responsivität von 1,07 A W⁻¹, eine überlegene Detektivität von über 10¹² Jones und eine schnelle Ansprechzeit von 106 µs gleichzeitig erreicht. Im Vergleich zu bisher berichteten Methoden, die chemisches Dotieren oder elektrostatisches Gating mit zusätzlichen Bias-Spannungen nutzen, bietet unser Design einen einfacheren und effizienteren Weg für die Entwicklung von Hochleistungs-WSe₂-basierten Photodetektoren.

Einleitung

In den letzten Jahren haben zweidimensionale Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDCs) aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften große Aufmerksamkeit erregt. Hohe In-Plane-Mobilität, ein einstellbarer Bandabstand, mechanische Flexibilität, starke Licht-Materie-Wechselwirkung und einfache Verarbeitbarkeit machen sie sehr wettbewerbsfähig für zukünftige nano-optoelektronische Bauelemente [1–20]. Besonders Wolframdiselenid (WSe₂), ein bipolarer Halbleiter mit einfacher Ladungsträgermanipulation, ermöglicht bemerkenswerte Anwendungen in junctionsbasierten Photodetektoren [21–28]. Bisher umfassen die Hauptstrategien zur Herstellung einer Junction ausschließlich in WSe₂ chemisches Dotieren und elektrostatisches Gating. So wurde kürzlich eine intramolekulare WSe₂-p-n-Junction berichtet [26]. Der n- und p-Bereich innerhalb des WSe₂ wurden durch Polyethylenimin-Chemiedotierung bzw. Rückseiten-Gating erzeugt. Die p-n-Junction zeigte eine Responsivität von 80 mA W⁻¹ und eine Ansprechzeit von 200 µs. Sun et al. dotierten WSe₂ mit Cetyltrimethylammoniumbromid, um eine intramolekulare p-n-Junction zu bilden, wobei Responsivität und Ansprechzeit 30 A W⁻¹ bzw. ~7 ms betrugen [27]. Baugher et al. demonstrierten eine laterale WSe₂-p-n-Junction, die durch elektrostatisches Gating mit zwei entgegengesetzten Gate-Spannungen erreicht wurde; eine Responsivität von 210 mA W⁻¹ wurde erzielt [28]. Aufgrund unvermeidlicher chemischer Verunreinigungen und der notwendigen mehrfachen Bias-Einstellungen machen diese Methoden die Fertigung und Anwendung von Junction-basierten Bauelementen jedoch komplex und schwierig. Das Zusammenfügen verschiedener 2D-Materialien zu vertikalen van-der-Waals-Heterostrukturen wie WSe₂/MoS₂-Junctions [29] ist für die Entwicklung neuartiger Photodetektoren populär geworden. In dieser Konfiguration leidet der Ladungsträgertransport zwischen verschiedenen Schichtmaterialien unter Grenzflächendefekten, was die Ansprechgeschwindigkeit des Bauelements begrenzt. Bei der Schottky-Junction, die sich zwischen Metallen und 2D-Materialien bildet, wird die Schottky-Barrierehöhe meist durch Fermi-Level-Pinning bestimmt, was unkontrollierbar ist und die Responsivität der Bauelemente stark beeinflusst. Zudem scheinen die berichteten Arbeiten nicht sowohl hohe Responsivität als auch schnelle Ansprechgeschwindigkeit gleichzeitig zu besitzen.

Hier demonstrieren wir einen einfachen und effizienteren Weg, um eine In-Plane-WSe₂-Homojunction zu realisieren. In der Architektur liegt ein Teil des WSe₂-Kanals auf dem Si/SiO₂-Substrat, der andere Teil auf dem h-BN-Flake. Dieses Schema ist in Floating-/Semi-Floating-Gate-Speichern üblich, wo h-BN als Gate-Dielektrikum dient [30, 31]. Die auf einer Seite der h-BN-Schicht gespeicherten Ladungen können die Leitfähigkeit des Materials auf der anderen Seite steuern. In unserer Arbeit wird der h-BN-Flake jedoch als perfekter Isolator verwendet, um den Interface-Gating-Effekt auf dem WSe₂-Kanal zu eliminieren. Die Polarität des WSe₂, der nur auf dem Si/SiO₂-Substrat aufliegt, kann durch das Interface-Gating moduliert werden. Dadurch arbeiten die Bauelemente bei Nulldraufspannung gut im photovoltaischen (PV) Modus. Gleichzeitig weisen sie bei hoher Bias-Spannung photoleitende (PC) Eigenschaften auf. Eine Responsivität von 1,07 A W⁻¹ mit einer überlegenen Detektivität von über 10¹² Jones und eine schnelle Ansprechzeit von 106 µs werden gleichzeitig erreicht – ohne komplexes Bauelementdesign und ohne das Risiko zusätzlicher chemischer Verunreinigungen.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a zeigt das Schema der In-Plane-WSe₂-Homojunction. Ein Teil des WSe₂-Flakes liegt auf dem h-BN-Flake (WSe₂-h), der andere Teil kontaktiert das Si/SiO₂-Substrat direkt (WSe₂-S). Die Funktion des h-BN besteht darin, das Interface-Gating (IG) des Si/SiO₂-Substrats auf dem WSe₂-h zu isolieren. Die Bildung der Homojunction zwischen WSe₂-h und WSe₂-S beruht daher hauptsächlich auf der Modulation der Polarität von WSe₂-S durch das IG. Das IG entsteht durch eingefangene Ladungen an der SiO₂-Oberfläche. Dies wird im Folgenden detailliert diskutiert. Abbildung 1b zeigt das optische Bild des Bauelements. Vier Elektroden (E1–E4, Ti/Au) wurden durch Elektronenstrahllithografie, Metallisierung und Lift-off-Prozess hergestellt. Die Materialdicken wurden mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) charakterisiert (siehe Abb. 1c). Die Höhe von WSe₂ (h-BN) im direkten Kontakt mit dem Si/SiO₂-Substrat (weiß gepunktete Linien) betrug 65 (23) nm (siehe Abb. 1d, e). Man erkennt einen abfallenden Übergang statt eines scharfen Schritts im Höhenprofil zwischen WSe₂ (h-BN) und dem Si/SiO₂-Substrat. Dies könnte auf Photolackreste an der Materialkante zurückzuführen sein. Abbildung 1f zeigt die Ramanspektren von WSe₂- und h-BN-Flakes. Für WSe₂ sind die ersten Ordnungs-Raman-Moden E₂g und A₁g bei ~250 cm⁻¹ klar unterscheidbar, was auf eine mehrlagige Morphologie hinweist [32, 33]. Für h-BN wird der Raman-Peak der E₂g-Mode bei ~1370 cm⁻¹ beobachtet. Aufgrund der großen Bandlücke von h-BN ist das Ramansignal im Vergleich zu WSe₂ schwächer [34].

Um den Einfluss des Substrats auf WSe₂ zu untersuchen, wurden die Transfercharakteristiken von WSe₂-S und WSe₂-h separat untersucht. Wie in Abb. 2a gezeigt, weisen beide Transferkurven bipolares Verhalten auf, und in der Kurve von WSe₂-S (schwarz) ist eine offensichtliche Hysterese im Vergleich zu der von WSe₂-h (rot) zu beobachten. Der Strom von WSe₂-h ist höher als der von WSe₂-S. Der steile Anstieg in der Kurve von WSe₂-h deutet auf eine relativ große Transkonduktanz hin, die proportional zur Ladungsträgermobilität ist. Für WSe₂-S wird die Hysterese auf Ladungsfang an der SiO₂-Oberfläche zurückgeführt [35–38]. Wenn V_g von –30 auf 0 V gesweept wird, bewirkt die negative V_g, dass WSe₂ mit Löchern gefüllt wird und einige Löcher in das SiO₂ getrieben werden (siehe Abb. 2b). Die im SiO₂ gefangenen Löcher erzeugen ein positives lokales Gate, also IG, das die WSe₂-Leitfähigkeit moduliert (schwacher Depletionseffekt). Daher erscheint der Ladungsneutralitätspunkt von V_g bei etwa –5 V. Entsprechend, wenn V_g von 30 auf 0 V gesweept wird, füllt die positive V_g WSe₂ mit Elektronen und treibt auch Elektronen in das SiO₂ (siehe Abb. 2c). Die gefangenen Elektronen erzeugen ein negatives IG, das die WSe₂-Leitfähigkeit moduliert (derselbe schwache Depletionseffekt). So erscheint der Ladungsneutralitätspunkt von V_g bei etwa 5 V. Für WSe₂-h verhindert der h-BN-Flake den Ladungsträgertransfer zwischen WSe₂ und SiO₂ unter V_g-Modulation. Dies ist der Grund für die nicht offensichtliche Hysterese in der WSe₂-h-Kurve. Daher kann eine In-Plane-Homojunction einfach durch Ausnutzung des IG gebildet werden.

Abbildung 3a zeigt die I_d-V_d-Kurven des Bauelements unter Dunkelheit und Beleuchtung bei V_g = 0 V. Die Source-Drain-Spannung wird an den Elektroden E2 und E3 angelegt (siehe Inset). Man sieht, dass die Kurzschlussströme (bei V_d = 0 V) mit der einfallenden Leistung zunehmen, was einen PV-Effekt anzeigt. Interessanterweise zeigen die Kurven auch PC-Eigenschaften bei V_d = ±1 V. Für den ersten Fall werden die Photoströme der Homojunction zugeschrieben. Wie in Abb. 3b dargestellt, bilden bereits eingefangene Löcher im SiO₂ bei V_d = 0 V und V_g = 0 V ein kleines positives IG, das WSe₂-S moduliert. So bilden der n⁻-typige WSe₂-S und der intrinsische WSe₂-h (ohne IG-Effekt durch Isolierung durch h-BN) eine In-Plane-Homojunction. Unter Beleuchtung werden die photoerregten Elektron-Loch-Paare durch das eingebaute Feld der Homojunction getrennt. Obwohl die I_d-V_d-Kurven bei Nulldraufspannung PV-Eigenschaften zeigen, weist die Homojunction kein gleichrichtendes Verhalten auf, möglicherweise aufgrund des relativ schwachen eingebauten Feldes im Vergleich zum extern angewendeten V_d. Für den zweiten Fall reagiert der gesamte WSe₂-Flake als Photoleiter auf das Lichtsignal bei hoher Bias-Spannung. Die photoerregten Ladungsträger werden durch V_d zu den Elektroden getrieben. Daher ist die Photoreaktion in Abb. 3a das Ergebnis des synergistischen Effekts von PV- und PC-Modus. Die Responsivitäten als Funktion der Lichtleistung für verschiedene V_d sind in Abb. 3c zusammengefasst, gegeben durch R = I_ph / (P·A), wobei I_ph der Photostrom, P die Lichtleistungsdichte und A die effektive lichtempfindliche Fläche des Detektors ist [39, 40]. Bei der Berechnung beträgt die effektive lichtempfindliche Fläche, also der WSe₂-Teil zwischen E2 und E3, 115,75 µm². Responsivitäten von 1,07 A W⁻¹ und 2,96 A W⁻¹ werden für V_d von 0 V und 1 V erzielt. Die spezifische Detektivität (D*) als wichtiger Parameter bestimmt die Fähigkeit eines Photodetektors, auf schwache Lichtsignale zu reagieren. Unter der Annahme, dass das Schrotrauschen vom Dunkelstrom der Hauptbeitrag ist, kann D* definiert werden als D* = R·A¹ᐟ² / (2e·I_dark)¹ᐟ², wobei R die Responsivität, A die effektive lichtempfindliche Fläche, e die Elementarladung und I_dark der Dunkelstrom ist [41, 42]. Aufgrund des extrem niedrigen I_dark werden D* von 3,3 × 10¹² Jones (1 Jones = 1 cm Hz¹ᐟ² W⁻¹) und 1,78 × 10¹¹ Jones für V_d von 0 V und 1 V erreicht. Zudem wurde die Ansprechzeit als wesentlicher Leistungsparameter untersucht. Wie in Abb. 3d gezeigt, wurden bei V_d = 0 V ein hoher und ein niedriger Stromzustand durch Lichtmodulation erzielt. Die transiente Photoreaktion zeigt hochstabile und reproduzierbare Eigenschaften. Abbildung 3e gibt einen einzelnen Modulationszyklus der zeitlichen Reaktion. Die Anstiegszeit (t_r), definiert als die Zeit, die der Strom benötigt, um von 10 % I_peak auf 90 % I_peak anzusteigen, betrug ~106 µs, und die Abfallzeit (t_f), analog definiert, betrug ~91 µs. Abbildung S1 zeigt die zeitliche Reaktion des Bauelements bei V_d = 1 V. t_r und t_f betrugen ~105 µs bzw. ~101 µs. Tabelle 1 fasst die berichteten WSe₂-Homojunctions zusammen, die durch verschiedene Methoden gebildet wurden. Offensichtlich hat das Bauelement in unserer Arbeit eine hohe D*, vergleichbare R und eine relativ schnelle Ansprechgeschwindigkeit. Darüber hinaus zeigt Abbildung S2 die Photoreaktionscharakteristiken der anderen drei Bauelemente. Deutliche PV- und PC-Ströme können bei Nulldraufspannung bzw. hoher Bias-Spannung beobachtet werden. Die Detektivität aller WSe₂-Homojunctions liegt über 10¹² Jones, und die Ansprechzeit beträgt etwas mehr als 100 µs, was beweist, dass unsere Bauelemente die Hochleistungs-Photodetektion sehr gut reproduzieren können.

Abbildung 4a und b zeigen die I_d-V_d-Kennlinien von WSe₂-h und WSe₂-S separat. Die Kurven sowohl von WSe₂-h als auch von WSe₂-S weisen PC-Eigenschaften auf, und es gibt keinen Photostrom bei Nulldraufspannung. Tatsächlich sollte Ti/WSe₂/Ti eine Metall/Halbleiter/Metall-Struktur bilden, die zwei Schottky-Junctions mit entgegengesetztem eingebautem Feld enthält. Daher sollten die I_d-V_d-Kurven den Nullpunkt kreuzen und PC-Verhalten zeigen. In unserem Fall führen die unterschiedlichen Austrittsarbeiten von WSe₂-h und WSe₂-S zu zwei asymmetrischen Schottky-Kontakten, nämlich E2/WSe₂-S und E3/WSe₂-h, wie in Abb. 4c dargestellt. Bei Nulldraufspannung ist die Richtung der resultierenden Photoströme, die von den Schottky-Junctions stammen, entgegengesetzt zu der in der Homojunction, und das experimentelle Ergebnis in Abb. 3a stimmt mit der letzteren überein. Daher ist die zwischen WSe₂-h und WSe₂-S gebildete Homojunction der Grund für die Kurzschluss-Photoströme.

Um weiter zu demonstrieren, dass die Photoreaktion bei Nulldraufspannung auf die Homojunction zurückzuführen ist, wurden die Ausgangseigenschaften durch Messen der I_d-V_d-Kurven des Bauelements mit der Source-Drain-Spannung an den Elektroden E1 und E4 untersucht. Wie in Abbildung S3a gezeigt, zeigen die Kurven, ähnlich wie in Abb. 3a, auch PV- und PC-Eigenschaften. Wie oben diskutiert, werden für den ersten Fall die Photoströme dem eingebauten Feld der In-Plane-Homojunction zugeschrieben, die zwischen WSe₂-S und WSe₂-h gebildet wird. Für den zweiten Fall werden die Photoströme der Sammlung photoerregter Ladungsträger durch das extern angelegte V_d zugeschrieben. Die Responsivitäten als Funktion der Lichtleistung für verschiedene V_d sind in Abbildung S3b zusammengefasst. Die Responsivitäten (Detektivitäten) von 0,51 A W⁻¹ (2,21 × 10¹² Jones) und 3,55 A W⁻¹ (5,54 × 10¹² Jones) werden für V_d von 0 V und 1 V erzielt. Bei der Berechnung beträgt die effektive lichtempfindliche Fläche, also der WSe₂-Teil zwischen E1 und E4, 519,4 µm². Die bei Nulldraufspannung gemessene Ansprechzeit ist in Abbildung S3c und 3d dargestellt, wobei die Anstiegszeit 289 µs und die Abfallzeit 281 µs beträgt. Für V_d = 1 V (Abbildung S3e und 3f) betragen Anstiegs- und Abfallzeit 278 µs bzw. 250 µs. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist etwas langsamer als die zwischen den Elektroden E2 und E3 gemessene, da der relativ lange Leitkanal die Photoladungsträger-Transmissionsstrecke und die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung zwischen Photoladungsträgern und Defekten erhöht.

Fazit

Zusammenfassend haben wir eine In-Plane-WSe₂-Homojunction durch elektrisches Tuning eines teilweisen WSe₂-Flakes über Interface-Gating demonstriert. Im Vergleich zu bestehenden Ansätzen wie chemischem Dotieren und elektrostatischem Gating mit zwei Gate-Spannungen bietet dieses Design einen einfacheren Weg zur Realisierung einer WSe₂-Homojunction. Unter Lichteinfall erzeugt das Bauelement deutliche Kurzschluss-Photoströme mit einer Detektivität von 3,3 × 10¹² Jones. Bei hoher Bias-Spannung zeigt das Bauelement photoleitende Eigenschaften und erzeugt Photoströme mit einer Detektivität von 1,78 × 10¹¹ Jones. Eine Ansprechzeit von nur 106 µs wird gleichzeitig erreicht. Unsere Studie bietet einen effizienten und zuverlässigen Weg für die Entwicklung von Hochleistungs-WSe₂-basierten Photodetektoren.

Methoden

Sowohl WSe₂- als auch h-BN-Bulk-Materialien wurden von der Shanghai Onway Technology Co., Ltd. bezogen. Zunächst wurden h-BN- und WSe₂-Flakes mechanisch auf ein p⁺-Si/SiO₂-Substrat (300 nm) bzw. eine Poly-dimethylsiloxan-(PDMS)-Schicht exfoliiert. Anschließend wurde ein Mikromanipulator verwendet, um den an PDMS haftenden WSe₂-Flake auf den Ziel-h-BN-Flake durch das Mikroskop zu positionieren. Ein Teil des WSe₂-Flakes überlappt den h-BN-Flake. Schließlich wurde der WSe₂-Flake durch Erhitzen des Substrats vom PDMS gelöst. Die Elektroden (Ti/Au) wurden durch Elektronenstrahllithografie, Metallisierung und Lift-off-Prozess hergestellt. Photoreaktionsmessungen wurden mit einem Agilent B1500 Halbleiter-Parameteranalysator und einer Laserdiode mit der Wellenlänge 637 nm durchgeführt.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Arbeit stützen, sind auf Anfrage beim korrespondierenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

TMDCs:

Übergangsmetall-Dichalkogenide

PV:

Photovoltaisch

PC:

Photoleitend

AFM:

Rasterkraftmikroskop

IG:

Interface-Gating

PDMS:

Poly-dimethylsiloxan