Grenzflächeninduzierter WSe2-In-Plane-Homojunction für Hochleistungs-Photodetektion

Einführung

In den letzten zehn Jahren haben 2D-Übergangsmetalldichalkogenide (TMDCs) aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Hohe Mobilität in der Ebene, abstimmbare Bandlücke, mechanische Flexibilität, starke Licht-Materie-Wechselwirkung und einfache Verarbeitung machen sie für zukünftige nanooptoelektronische Geräte sehr wettbewerbsfähig [1,2,3,4,5,6,7,8,9, 10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]. Insbesondere Wolframdiselenid (WSe₂ ), ein bipolarer Halbleiter mit einfacher Ladungsträger-Manipulation, ermöglicht bemerkenswert potenzielle Anwendungen in übergangsbasierten Photodetektoren [21,22,23,24,25,26,27,28]. Bisher sind die Hauptstrategien der Konstruktion von Kreuzungen ausschließlich in WSe₂ umfassen chemische Dotierung und elektrostatische Ansteuerung. Zum Beispiel vor kurzem ein intramolekulares WSe₂ Es wurde über einen p-n-Übergang berichtet [26]. Die n-Region und die p-Region innerhalb von WSe₂ wurden durch chemische Dotierung mit Polyethylenimin bzw. Back-Gate-Kontrolle gebildet. Der p-n-Übergang zeigte eine Ansprechempfindlichkeit von 80 mA W ⁻¹ und 200 μs Reaktionszeit. Sonneet al. dotiertes WSe₂ durch Verwendung von Cetyltrimethylammoniumbromid zur Bildung eines intramolekularen p-n-Übergangs, bei dem die Ansprechempfindlichkeit und die Ansprechzeit 30 A W ⁻¹ . betragen bzw. ~ 7 µms [27]. Baugher et al. demonstriere eine seitliche WSe₂ p-n-Übergang, der durch elektrostatisches Ansteuern durch Anlegen von zwei Gate-Vorspannungen mit entgegengesetzter Polarität erreicht wird. Die Ansprechempfindlichkeit von 210 mA W ⁻¹ erhalten wurde [28]. Aufgrund der unvermeidlichen chemischen Verunreinigungen und der notwendigen mehrfachen Vorspannungseinstellungen machen diese Verfahren jedoch die Herstellung und Anwendung von übergangsbasierten Vorrichtungen komplex und schwierig. Zusammenbau verschiedener 2D-Materialien zum Aufbau vertikaler Van-der-Waals-Heterostrukturen wie WSe₂ /MoS₂ Junction [29] ist für die Entwicklung neuartiger Photodetektoren populär geworden. In dieser Konfiguration leidet der Prozess des Trägertransports zwischen verschiedenen Schichtmaterialien jedoch unter den Schnittstellendefekten, was die Reaktionsgeschwindigkeit der Vorrichtung einschränkt. Für den Schottky-Übergang, der zwischen Metallen und 2D-Materialien gebildet wird, wird die Höhe der Schottky-Barriere normalerweise durch Fermi-Level-Pinning bestimmt, was nicht kontrollierbar ist und einen großen Einfluss auf die Empfindlichkeit der Bauelemente hat. Darüber hinaus können die gemeldeten Werke nicht sowohl eine hohe Reaktionsfähigkeit als auch eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit aufweisen.

Hier demonstrieren wir einen einfacheren und effizienteren Weg, um eine WSe₂ in der Ebene zu realisieren Homojunktion. In der Architektur, ein Teil von WSe₂ Kanal ist auf Si/SiO₂ Substrat und der andere Teil befindet sich auf der h-BN-Flake. Dieses Schema ist bei Floating-/Semi-Floating-Gate-Speichern üblich, bei denen das h-BN als Gatedielektrikumsschicht verwendet wird [30, 31]. Die auf einer Seite der h-BN-Schicht gespeicherten Ladungen können die Leitfähigkeit des Materials auf der anderen Seite regulieren. In unserer Arbeit wird jedoch der h-BN-Flake als perfekter Isolator verwendet, um den Interface-Gating-Effekt auf die WSe₂ . zu eliminieren Kanal. Die Polarität von WSe₂ , welcher Teil ist nur auf dem Si/SiO₂ Substrat, kann durch Interface-Gate moduliert werden. Als Ergebnis arbeiten die Geräte im Photovoltaik-(PV)-Modus gut bei Null-Vorspannung. Unterdessen zeigt es photoleitfähige (PC) Eigenschaften bei hoher Vorspannung. Eine Ansprechempfindlichkeit von 1,07 A W ⁻¹ mit einer überragenden Erkennungsrate von über 10 ¹² jones und eine schnelle Reaktionszeit von 106 μs werden gleichzeitig ohne das komplizierte Gerätedesign und das Risiko zusätzlicher chemischer Verunreinigungen erreicht.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a zeigt eine schematische Darstellung der WSe₂ . in der Ebene Homojunktion. Es ist zu sehen, dass ein Teil von WSe₂ Flocke wird auf h-BN-Flake gelegt (WSe₂ -h) und der andere Teil kontaktiert das Si/SiO₂ Substrat direkt (WSe₂ -S). Die Funktion von h-BN besteht darin, das Interface Gate (IG) des Si/SiO₂ . zu isolieren Substrat auf dem WSe₂ -h. Also die Bildung der Homojunction zwischen WSe₂ -h und WSe₂ -S beruht hauptsächlich darauf, dass die IG die Polarität von WSe₂ . moduliert -S. Die IG wird durch die eingefangenen Ladungen am SiO₂ . erzeugt Oberfläche. Dies wird weiter unten im Detail besprochen. Abbildung 1b zeigt das optische Bild des Geräts. Vier Elektroden (E1-E4, Ti/Au) wurden durch Elektronenstrahllithographie, Metallisierung und den Lift-Off-Prozess hergestellt. Die Materialdicke wird mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM) charakterisiert (siehe Abb. 1c). Die Höhe von WSe₂ (h-BN)-Flake in direktem Kontakt mit dem Si/SiO₂ Substrat (weiß gepunktete Linien) wurde mit 65 (23) nm gemessen (siehe Fig. 1d, e). Es ist zu erkennen, dass im Höhenprofil zwischen den WSe₂ . eine Neigung statt einer scharfen Stufe vorhanden ist (h-BN) und das Si/SiO₂ Substrat. Dies kann an dem restlichen Fotolack am Rand des Materials liegen. Abbildung 1f zeigt die Raman-Spektren von WSe₂ und h-BN-Flocken. Für die WSe₂ , die erste Ordnung E_2g und A_1g Raman-Modi werden deutlich unterschieden ~ 250 cm ⁻¹ , was darauf hindeutet, dass die WSe₂ hat eine mehrschichtige Morphologie [32, 33]. Für das h-BN der Raman-Peak von E_2g Modus bei ~ 1370 cm ⁻¹ wird beobachtet. Aufgrund der großen Bandlücke von h-BN ist das Raman-Signal im Vergleich zu dem in WSe₂ . schwach [34].

Schema einer In-Plane-WSe₂ Homojunktion. a Aufbau des Gerätes. b Optisches Abbild des Geräts. Teil von WSe₂ Kontakte h-BN Flocken, während der andere Teil Si/SiO₂ . kontaktiert Substrat. c AFM-Bild des Geräts. Die weißen gestrichelten Linien zeigen die Positionen an, an denen die Dicke von h-BN (links) und WSe₂ (rechts) werden extrahiert. Für den Kanal zwischen E1 und E2 beträgt die durchschnittliche Breite (Länge) ~ 19,15 (~ 6,33) µm. Für den Kanal zwischen E2 und E3 beträgt die durchschnittliche Breite (Länge) ~ 23,15 (~ 5) µm. Für den Kanal zwischen E3 und E4 beträgt die durchschnittliche Breite (Länge) ~ 22 (~ 5,38) µm. d , e Höhenprofile von WSe₂ und h-BN-Flocken. f Raman-Spektren von WSe₂ und h-BN-Flakes mit 532 nm Laseranregung

Um die Wirkung von Substrat auf WSe₂ . zu untersuchen , Übertragungseigenschaften von WSe₂ -S und WSe₂ -h wurden separat untersucht. Wie in Abb. 2a gezeigt, zeigen beide Übertragungskurven ein bipolares Verhalten und eine deutliche Hysterese kann in der Kurve von WSe₂ . beobachtet werden -S (schwarz) im Vergleich zu WSe₂ -h (rot). Der Strom von WSe₂ -h ist höher als das von WSe₂ -S. Der steile Anstieg in der Kurve von WSe₂ -h zeigt eine relativ große Steilheit an, die proportional zur Trägermobilität ist. Für WSe₂ -S, die Hysterese wird dem Ladungseinfang am SiO₂ . zugeschrieben Oberfläche [35,36,37,38]. Wenn V _g wurde von − 30 auf 0 V gesweept, das negative V _g macht die WSe₂ mit Löchern bestückt und treibt einige Löcher in das SiO₂ (siehe Abb. 2b). Die eingeschlossenen Löcher in SiO₂ ein positives lokales Gatter erzeugen, d. h. IG, um die WSe₂ . zu modulieren Leitwert im Gegenzug (schwacher Erschöpfungseffekt). Daher ist der Ladungsneutralitätspunkt von V _g erscheint bei − 5 V. Ähnlich, wenn V _g wurde von 30 auf 0 V gesweept, das positive V _g macht die WSe₂ mit Elektronen besiedelt und treibt auch einige Elektronen in das SiO₂ (siehe Abb. 2c). Die eingefangenen Elektronen in SiO₂ eine negative IG erzeugen, um die WSe₂ . zu modulieren Leitfähigkeit im Gegenzug (der gleiche schwache Erschöpfungseffekt). Der Ladungsneutralitätspunkt von V _g erscheint bei etwa 5 V. Für WSe₂ -h, die h-BN-Flake hemmt die Trägerübertragung zwischen WSe₂ und SiO₂ unter V _g Modulation. Dies ist der Grund für die nicht offensichtliche Hysterese im WSe₂ -h-Kurve. Daher kann eine Homojunction in der Ebene einfach durch Ausnutzen der IG gebildet werden.

Übertragungseigenschaften. a Ich _d -V _g Kurven von WSe₂ -S (schwarze Linie) und WSe₂ -h (rote Linie). Die Sweep-Richtung von V _g wird durch die Pfeile angezeigt. b , c Physikalische Erklärung für das Hysteresephänomen. Die Pfeile zeigen die Richtung des durch V . induzierten elektrischen Felds an _g . Die roten und blauen Kugeln repräsentieren Löcher bzw. Elektronen

Abbildung 3a zeigt das I _d -V _d Kurven des Gerätes unter dunklen und hellen Bedingungen bei V _g =0 V. Die Source-Drain-Spannung wird an den Elektroden E2 und E3 angelegt (siehe Einschub). Es ist zu erkennen, dass die Kurzschlussströme (bei V _d =0 V) steigen mit der einfallenden Leistung an, was auf einen PV-Effekt hinweist. Interessanterweise zeigen die Kurven auch PC-Eigenschaften bei V _d =± 1 V. Bei ersterem werden die Photoströme dem Homoübergang zugeschrieben. Wie in Abb. 3b gezeigt, obwohl V _d und V _g wurden auf 0 V eingestellt, einige bereits eingeschlossene Löcher in SiO₂ Bilden Sie eine kleine positive IG, um die WSe₂ . zu modulieren -S. Also, die n ^- -type WSe₂ -S und intrinsisches WSe₂ -h (ohne die Wirkung von IG aufgrund der Isolierung durch h-BN-Flocken) bilden eine Homojunction in der Ebene. Unter Beleuchtung werden die photoangeregten Elektron-Loch-Paare durch das eingebaute Feld des Homoübergangs getrennt. Obwohl ich _d -V _d Kurven zeigen die PV-Charakteristik bei Null-Vorspannung gut, der Homojunction zeigte kein gleichrichtendes Verhalten, möglicherweise aufgrund des relativ schwachen eingebauten Felds im Vergleich zu der extern angelegten V _d . Für letzteres das ganze WSe₂ Flake als Fotoleiter reagiert auf das Lichtsignal bei hoher Vorspannung. Die photoangeregten Ladungsträger werden durch V . zu den Elektroden getrieben _d . Daher ist die Photoantwort in Fig. 3a das Ergebnis eines synergistischen Effekts der PV- und PC-Modi. Die Ansprechempfindlichkeiten in Abhängigkeit von der Lichtleistung für verschiedene V _d sind in Abb. 3c zusammengefasst, gegeben durch R =Ich _ph /PA , wo ich _ph ist der Photostrom, P ist die Leistungsintensität und A ist die effektive lichtempfindliche Fläche des Detektors [39, 40]. Während der Berechnung wird der effektive lichtempfindliche Bereich, d. h. der WSe₂ Teil zwischen E2 und E3, ist 115,75 μm ² . Die Ansprechempfindlichkeiten von 1,07 A W ⁻¹ und 2,96 A W ⁻¹ erhält man für V _d von 0 V bzw. 1 V. Die spezifische Detektivität (D ^* ) als wichtiger Parameter bestimmt die Fähigkeit eines Photodetektors, auf ein schwaches Lichtsignal zu reagieren. Angenommen, das Schrotrauschen des Dunkelstroms ist der Hauptbeitrag, D ^* kann definiert werden als D ^∗ =RA ^1/2 /(2eI _dunkel ) ^1/2 , wobei R ist die Reaktionsfähigkeit, A ist der effektive lichtempfindliche Bereich, e ist die Elektronenladung und I _dunkel ist der Dunkelstrom [41, 42]. Profitieren von dem extrem niedrigen I _dunkel , D ^* von 3,3 × 10 ¹² jones (1 jones =1 cm Hz ^1/2 W ⁻¹ ) und 1,78 × 10 ¹¹ jones werden für V . erreicht _d von 0 V bzw. 1 V. Darüber hinaus wurde die Reaktionszeit als wichtige Kennzahl untersucht. Wie in Fig. 3d gezeigt, werden ein hoher und ein niedriger Stromzustand bei V . erfasst _d =0 V wurden mit der Lichtmodulation erhalten. Die transiente Photoantwort weist hochstabile und reproduzierbare Eigenschaften auf. 3e zeigt einen einzelnen Modulationszyklus der zeitlichen Reaktion. Die Anstiegszeit (t _r ), definiert als die Zeit, die erforderlich ist, damit der Strom von 10 % I . ansteigt _Spitze zu 90% ich _Spitze , wurde mit ~ 106 μs ermittelt, und die Fallzeit (t _f ), analog definiert, zu ~91 μs. Abbildung S1 zeigt die zeitliche Reaktion des Geräts, die bei V . erfasst wurde _d =1 V. t _r und t _f wurden mit ~105 μs bzw. ~101 μs ermittelt. Tabelle 1 fasst die gemeldeten WSe₂ . zusammen Homojunction durch verschiedene Methoden gebildet. Offensichtlich hat das Gerät in unserer Arbeit ein hohes D ^* , vergleichbar R , und relativ schnelle Reaktionsgeschwindigkeit. Darüber hinaus zeigt Abbildung S2 die Photoreaktionseigenschaften der anderen drei Geräte. Bei null bzw. hoher Vorspannung können unterschiedliche PV- und PC-Ströme beobachtet werden. Die Detektivität aller WSe₂ Homojunctions ist höher als 10 ¹² jones, und die Reaktionszeit beträgt etwas mehr als 100 μs, was beweist, dass unsere Geräte die Hochleistungs-Photodetektion sehr gut wiederholen können.

Photoresponse-Leistung der Homojunction, die zwischen E2 und E3 erworben wurde. a Drainstrom als Funktion der Source-Drain-Spannung, die an den Elektroden E2 und E3 (siehe Einschub) mit variabler Lichtleistungsintensität (637 nm) angelegt wird. b Bildungsmechanismus der Homojunction bei V _g =0 V und V _d =0 V. c Empfindlichkeit als Funktion der Lichtleistung. d , e Zeitliche Reaktion des Geräts, das bei V . erfasst wurde _d =0 V für 637 nm Beleuchtung. Ein Oszilloskop wurde verwendet, um die Zeitabhängigkeit des Stroms zu überwachen

Abbildung 4a und b zeigen das I _d -V _d Eigenschaften von WSe₂ -h und WSe₂ -S separat. Die Kurven beider WSe₂ -h und WSe₂ -S weist PC-Eigenschaften auf und es gibt keinen Photostrom bei Null-Vorspannung. Tatsächlich Ti/WSe₂ /Ti soll eine Metall/Halbleiter/Metall-Struktur bilden, die zwei Schottky-Übergänge mit entgegengesetztem eingebautem Feld enthält. Also, das Ich _d -V _d Kurven sollten den Nullpunkt kreuzen und PC-Verhalten aufweisen. In unserem Fall aufgrund der unterschiedlichen Arbeitsfunktionen von WSe₂ -h und WSe₂ -S, es gibt zwei asymmetrische Schottky-Kontakte, d. h. E2/WSe₂ -S und E3/WSe₂ -h, wie in Abb. 4c gezeigt. Bei einer Vorspannung von Null ist die Richtung der Nettophotoströme, die von den Schottky-Übergängen herrühren, entgegengesetzt zu der im Homoübergang, und das in Fig. 3a gezeigte Versuchsergebnis stimmt mit letzterem überein. Daher bildet sich die Homojunction zwischen WSe₂ -h und WSe₂ -S ist der Grund für die Kurzschluss-Photoströme.

Wirkung des Schottky-Übergangs auf die Photoantwort. a Ich _d -V _d Kurven von WSe₂ -h mit an den Elektroden E3 und E4 (siehe Einschub) angelegter Source-Drain-Spannung unter Lichtbeleuchtung (637 nm). b Ich _d -V _d Kurven von WSe₂ -S mit an den Elektroden E1 und E2 (siehe Einschub) angelegter Source-Drain-Spannung unter Lichtbeleuchtung (637 nm). c Schematisches Banddiagramm des Homojunction-Bauelements mit asymmetrischen Schottky-Kontakten, d. h. E2/WSe₂ -S und E3/WSe₂ -h, bei Null-Bias

Um weiter zu demonstrieren, dass die Photoreaktion bei Nullvorspannung dem Homoübergang zugeschrieben wird, wurden die Ausgangseigenschaften durch Messung des I . untersucht _d -V _d Kurven der Vorrichtung mit der an den Elektroden E1 und E4 angelegten Source-Drain-Spannung. Wie in Abbildung S3a gezeigt, weisen die Kurven, analog zur Situation in Abbildung 3a, auch die PV- und PC-Kennlinien auf. Wie oben besprochen, werden die Photoströme bei ersterem dem eingebauten Feld der Homojunction in der Ebene zugeschrieben, die zwischen WSe₂ . gebildet wird -S und WSe₂ -h. Bei letzteren werden die Photoströme auf die Sammlung photoangeregter Träger durch das von außen angelegte V . zurückgeführt _d . Die Ansprechempfindlichkeiten in Abhängigkeit von der Lichtleistung für verschiedene V _d sind in Abbildung S3b zusammengefasst. Die Ansprechempfindlichkeiten (Erkennbarkeiten) von 0,51 A W ⁻¹ (2,21 × 10 ¹² jones) und 3,55 A W ⁻¹ (5,54 × 10 ¹² jones) erhält man für V _d von 0 V bzw. 1 V. Während der Berechnung wird der effektive lichtempfindliche Bereich, d. h. der WSe₂ Teil zwischen E1 und E4, ist 519.4 μm ² . Die bei Nullvorspannung gemessene Reaktionszeit ist in den Abbildungen S3c und 3d dargestellt, wobei die Anstiegszeit 289 μs und die Abfallzeit 281 μs beträgt. Für das V _d von 1 V (Abbildung S3e und 3f) beträgt die 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 leitfähige Kanal die Übertragungsstrecke des Fototrägers und die Wahrscheinlichkeit für die Wechselwirkung zwischen Fototrägern und Defekten erhöht.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend haben wir eine In-Plane-WSe₂ . demonstriert Homojunction durch elektrisches Abstimmen von partiellem WSe₂ Flocke durch das Schnittstellentor. Verglichen mit bestehenden Ansätzen wie chemischer Dotierung und elektrostatischem Gating durch Ausnutzung von zwei Gate-Vorspannungen bietet dieses Design eine einfachere Route zur Realisierung von WSe₂ Homojunktion. Bei leichter Beleuchtung erzeugt das Gerät deutliche Kurzschluss-Photoströme mit einer Detektivität von 3,3 × 10 ¹² Jones. Bei hoher Vorspannung weist das Gerät photoleitende Eigenschaften auf und erzeugt Photoströme mit einer Detektivität von 1,78 × 10 ¹¹ Jones. Gleichzeitig wird eine Reaktionszeit von bis zu 106 µs erreicht. Unsere Studie bietet einen effizienten und zuverlässigen Weg zur Entwicklung von Hochleistungs-WSe₂ -basierte Fotodetektoren.

Methoden

Beide WSe₂ und h-BN-Schüttgut wurden von Shanghai Onway Technology Co., Ltd. gekauft. Zuerst h-BN und WSe₂ Flocken wurden mechanisch auf ein p ⁺ . gepeelt -Si/SiO₂ (300  nm) Substrat bzw. eine Polydimethylsiloxan (PDMS)-Schicht. Dann wurde ein Mikromanipulator verwendet, um die WSe₂ Flocke, die an PDMS haftet, auf die Ziel-h-BN-Flake durch das Mikroskop, um die Position zu lokalisieren. Teil von WSe₂ Flocke überlappt die h-BN-Flake. Schließlich die WSe₂ Flocken wurden aus PDMS durch Erhitzen des Substrats freigesetzt. Die Elektroden (Ti/Au) wurden durch Elektronenstrahllithographie, Metallisierung und den Lift-Off-Prozess hergestellt. Photoresponse-Messungen wurden mit dem Halbleiterparameteranalysator Agilent B1500 und einer Laserdiode mit einer Wellenlänge von 637  nm durchgeführt.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

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

Abkürzungen

TMDCs:

Übergangsmetalldichalkogenide

PV:

Photovoltaik

PC:

Fotoleitfähig

AFM:

Rasterkraftmikroskop

IG:

Schnittstellentor

PDMS:

Polydimethylsiloxan