Hochleistungs-Photodetektoren mit lateralen Monolayer MoS₂/WS₂-Heteroübergängen

Zusammenfassung

Monolagen-Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) zeigen vielversprechendes Potenzial für die Optoelektronik der nächsten Generation aufgrund ihrer hervorragenden Lichtauffang- und Photodetektionsfähigkeiten. Photodetektoren als wichtige Komponenten von Sensor-, Bildgebungs- und Kommunikationssystemen sind in der Lage, optische Signale wahrzunehmen und in elektrische Signale umzuwandeln. Hier wurden großflächige und hochwertige laterale Monolagen MoS₂/WS₂-Heteroübergänge über den einstufigen flüssigphasen chemischen Gasphasenabscheidungsansatz (CVD) synthetisiert. Systematische Charakterisierungsmessungen haben gute Gleichmäßigkeit und scharfe Grenzflächen der Kanalmaterialien verifiziert. Als Ergebnis können die durch den Photogating-Effekt verbesserten Photodetektoren wettbewerbsfähige Leistung liefern, einschließlich Responsivität von ~ 567,6 A/W und Detektivität von ~ 7,17 × 10¹¹ Jones. Zusätzlich ist das 1/f-Rauschen, das aus dem Stromleistungsspektrum erhalten wird, nicht förderlich für die Entwicklung von Photodetektoren, was als aus Ladungsträger-Fangen/Entfangen stammend betrachtet wird. Daher kann diese Arbeit zu effizienten optoelektronischen Bauelementen basierend auf lateralen Monolagen-TMD-Heterostrukturen beitragen.

Einleitung

In Anbetracht des fast halbe Billionen Dollar großen Halbleiter-Chip-Marktes sind zweidimensionale (2D) Materialien derzeit eine der machbarsten und vielversprechendsten Kandidaten für die Fortsetzung von Moores Gesetz [1,2,3,4,5]. Als repräsentatives Mitglied der 2D-Familie wurden Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) intensiv aufgrund ihrer einzigartigen optoelektronischen Eigenschaften und potenziellen Anwendungen [6,7,8,9,10,11,12] in Photodetektions- und Lichtemissionsbauelementen [13, 14] untersucht. Insbesondere die einstellbare Bandlücke, hohe Trägerbeweglichkeit, hohe optische Absorption und atomar dünne Dicke machen TMDs zu geeigneten Kanalmaterialien für Photodetektoren und spielen eine entscheidende Rolle in optoelektronischen oder elektronischen Bauelementen [15, 16]. Obwohl Kristalldefekte in TMDs, die den Ladungsträger-Fang-Effekt hervorrufen, zu hoher Photosensitivität führen können, führen sie unvermeidlich zu langsamer Reaktionsgeschwindigkeit [17]. Zusätzlich schlagen einige Forscher die plasmonische Verstärkung vor, um die begrenzte Lichtausnutzung von 2D-Materialien zu steigern [18,19,20]. Durch Kombination jeweiliger Überlegenheiten und Anzeigen einzigartigen elektronischen Transports an der Grenzfläche werden TMD-Heterostrukturen entweder als laterale Vernähung oder vertikales Stapeln präsentiert [21]. Solche Heterostrukturen können intrinsische elektronische Eigenschaften anpassen und die optische Absorption verbessern [22], wobei emergente und designbare Merkmale gezeigt werden [13, 23]. Zum Beispiel sollten das eingebaute elektrische Feld [24] oder der Energielevel-Unterschied [25], induziert durch TMD-Heterostrukturen, die Photoladungsträger-Trennung beschleunigen [26], die Photoladungsträger-Rekombination unterdrücken [17, 27] und den Dunkelstrom senken [28], was für das Erreichen von hochleistungsfähiger Photodetektion vorteilhaft ist. Außerdem hat Wangs Gruppe [29] unterdrückte Elektron-Loch (e-h) Rekombination in lateralen Heterostrukturen zertifiziert. Wie zuvor berichtet, zeigten laterale Heterostrukturen höhere Trägerbeweglichkeit [30], während vertikale Heterostrukturen normalerweise den photoaktiven Bereich erhöhten [27] und/oder den Stromantrieb pro Fläche verbesserten [31]. Zudem zeigten die In-Plane-Grenzflächen lateraler Heterostrukturen stärkere Photolumineszenz (PL) Emissionsintensität als beide Seiten [14]. Allerdings konnte unterdrückte PL-Emission an der vertikalen Hetero-Grenzfläche aufgrund der reduzierten direkten strahlenden Rekombination beobachtet werden [32]. Zusätzlich ermöglichen sowohl laterale als auch vertikale TMD-Heterostrukturen die Schaffung neuer exzitonischer Übergänge [14].

In Bezug auf Kristallgitterqualität könnten MoX₂/WX₂ (X = S, Se oder Te) laterale Heteroübergänge aufgrund ihrer ähnlichen honigwabenartigen [33, 34] Konfiguration und Gitterparameter [34] kaum strukturelle Defekte induzieren. Zusätzlich kann diese Art von Heteroübergang im Allgemeinen Typ-II-Bandausrichtung bilden, was für hocheffiziente Photodetektion wünschenswert ist [32, 34, 35]. Laut früheren Arbeiten bevorzugte der laterale Monolagen MoS₂/WS₂-Heteroübergang Typ-II-Bandausrichtung mit dem Valenzbandmaximum (VBM) lokalisiert an WS₂ und dem Leitungsbandminimum (CBM) an MoS₂ [32, 34]. Zum Beispiel hat Wus Gruppe weiter berichtet, dass VBM und CBM von MoS₂ 0,39 eV bzw. 0,35 eV niedriger sind als die von WS₂ [34]. Darüber hinaus könnte der Bandversatz zwischen MoS₂ und WS₂, der die Bandausrichtung bestimmt, über ihre unterschiedlichen d-Orbital-Positionen von Mo und W geschätzt werden [34]. Vertikale Heterostrukturen können durch mechanisches Transfer- und Stapelverfahren hergestellt werden, während laterale nur durch Wachstumsmethoden erreicht werden können [14]. Darüber hinaus können vertikale Heterostrukturen, wie zuvor berichtet, nicht präzise kontrolliert werden und sind an den Grenzflächen zwischen den Schichten leicht kontaminiert [33]. Glücklicherweise können laterale Heterostrukturen durch einstufige Methoden synthetisiert werden, um Kontaminationen zu reduzieren [28]. Heutzutage blieb das Wachstum von großflächigen und hochwertigen lateralen Monolagen-TMD-Heterostrukturen eine große Herausforderung [36]. Daher sind hochwertige und großflächige laterale TMD-Heteroübergänge signifikant und erwünscht für die Entwicklung hochleistungsfähiger Photodetektoren.

Hier werden laterale Monolagen MoS₂/WS₂-Heteroübergänge mit scharfen Grenzflächen und guter Gleichmäßigkeit über die einstufige flüssigphasen CVD-Methode hergestellt und Photodetektoren basierend auf diesen Heterostrukturen gefertigt. Die vorgestellten Photodetektoren können hohe Responsivität und Detektivität von 567,6 A/W und 7,17 × 10¹¹ Jones liefern. Diese Arbeit demonstriert, dass laterale Monolagen MoS₂/WS₂-Heteroübergänge als qualifizierte Kandidaten für Optoelektronikanwendungen der nächsten Generation dienen können.

Methoden

Heterostruktur-Synthese

0,05 g Natriumwolframat, 0,5 g Ammoniummolybdat und 0,12 g NaOH (oder KOH) Partikel wurden in 10 mL deionisiertem (DI) Wasser gelöst, um Vorläuferlösung zu erhalten. Die Wachstumssubstrate (Saphir) wurden mit Piranha-Lösung behandelt, um die Oberflächenhydrophilie zu verbessern, und dann wurde die Vorläuferlösung gleichmäßig auf saubere Saphirsubstrate aufgespinnt. Danach wurden der vorläuferbedeckte Saphir und Schwefel auf das Heizzentrum und den Upstream eines Quarzrohrs platziert. Das Heizzentrum wurde in 40 min auf 700 °C hochgefahren und für 10 min gehalten, um MoS₂-OH-Doppelschichten (d.h. MoS₂-Monolage und eine einzelne Schicht von OH⁻-Ionen angeheftet) zu wachsen. Schließlich wurde das Trägergas von Ar auf Ar/H₂ (5% H₂) geändert, und das Heizzentrum wurde innerhalb von 10 min auf 780 °C erhitzt und für 10 min gehalten, um WS₂ entlang der Kanten der MoS₂-OH-Doppelschichten wachsen zu lassen, wodurch MoS₂/WS₂ laterale Heterostrukturen gebildet wurden. Weitere Details der Heterostruktur-Synthese verweisen auf frühere Arbeiten [30].

Transferprozess

Wir verwendeten die Polystyrol (PS)-unterstützte Methode, um WS₂/MoS₂ laterale Heterostrukturen von Saphir auf SiO₂/Si-Substrate zu übertragen. Die PS-Lösung (9 g PS wurden in 100 mL Toluol gelöst) wird zuerst mit 3500 rpm für 60 s auf die Heterostrukturen aufgespinnt, dann wird das Sample bei 90 °C für 10 min gebacken, um Toluol zu eliminieren. Danach wird der WS₂/MoS₂-PS-Film durch einen Wassertropfen erhalten, und der schwimmende WS₂/MoS₂-PS-Film wird dann mit einem sauberen SiO₂/Si-Substrat aufgeschöpft. Das WS₂/MoS₂-PS-SiO₂/Si-Sample wird bei 80 °C für 1 h und dann bei 150 °C für 30 min gebacken, um das Polymer zu verteilen, um mögliche Falten zu eliminieren. Schließlich wird der PS-Film durch mehrmaliges Spülen mit Toluol entfernt, um WS₂/MoS₂-SiO₂/Si-Samples zu erhalten.

Bauelementfertigung

Standard Elektronenstrahllithografie (EBL) wurde verwendet, um Markierungen und Elektrodenmuster auf den als lateralen Monolagen MoS₂/WS₂-Heteroübergänge gewachsenen Strukturen zu definieren. Die Ti/Au-Elektroden (10 nm/100 nm) wurden auf dem Kanal verdampft und in Aceton abgehoben. Das Bauelement wurde thermisch bei 400 °C für 2 h im Vakuum geglüht und schnell auf Raumtemperatur abgekühlt.

Materialcharakterisierung

Optische Bilder wurden mit OLYMPUS Mikroskop (LV100ND) aufgenommen. Raman-, PL- und AFM-Mapping-Bilder wurden mit einem Raman-AFM-Konfokal-Spektrometer (Witec, alpha300 RA) mit einem 532 nm Laser gemessen.

Bauelementcharakterisierung

Die optoelektronischen Eigenschaften der Photodetektoren wurden mit der SemiProbe-Probestation und einem Halbleiterparameteranalysator (Keithley 4200) und Platform Design Automation (PDA, FS-Pro) gemessen. Laser verschiedener Wellenlängen als Lichtquellen wurden verwendet, um die Photoreaktion der Photodetektoren zu messen. Verschiedene Laserdichten wurden mit einem Irradiometer bestimmt.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a zeigt das optische Bild des CVD-gewachsenen lateralen Monolagen-Heterostruktur, illustriert durch den optischen Kontrast. Die entsprechenden Ramanspektren, die von den verschiedenen Positionen, markiert 1 und 2 in Abb. 1a, erhalten wurden, bestätigen die Konfiguration des inneren MoS₂ (385,5 cm⁻¹ und 405,3 cm⁻¹) und äußeren WS₂ (351,5 cm⁻¹ und 416,5 cm⁻¹) in Abb. 1b [30]. Hohe Kristallqualität von MoS₂ und WS₂ wird impliziert, da kein Oxidationspeak in den entsprechenden Ramanspektren beobachtet wurde [37]. Besonders wurden die Eigenpeaks von MoS₂ und WS₂ beide in der genähten Grenzfläche, markiert 3 in Abb. 1a, beobachtet, was anzeigt, dass zwei Materialien an der Grenzfläche gebildet werden. Zusätzlich beträgt der Frequenzunterschied zwischen dem E₂g-Modus und A₁g-Modus von MoS₂ 19,8 cm⁻¹, was auf eine Monolage hinweist [30, 38, 39]. Bei WS₂ ist das Peak-Intensitätsverhältnis des longitudinalen akustischen Modus (2LA) [40] bei 352 cm⁻¹ zum A₁g-Modus, d.h. I₂LA/I_A1g, genauer, um die Dicke zu verifizieren als der Frequenzunterschied [14]. Das Verhältnis wurde auf ~ 2 geschätzt, in Übereinstimmung mit Monolagen WS₂, gemessen mit 532 nm Laser [14]. Der deutliche Rotverschiebung des E₂g-Modus (In-Plane-Vibration) kann beobachtet werden, resultierend aus Legierungseffekt [41] in den lateralen Heteroübergängen. Insbesondere wurde dieses ähnliche Verhalten auch in vertikalen Heteroübergängen beobachtet, verursacht durch dielektrische Abschirmung und Interlayer-Kopplung [42]. Darüber hinaus zeigt das Raman-Mapping-Ergebnis in Abb. 1c mit dem blauen Bereich von MoS₂ und dem roten Bereich von WS₂ die nahtlose hochwertige In-Plane-Heterostruktur [13, 43]. Abb. 1d, e demonstrieren auch die Konfiguration mit MoS₂ innen und WS₂ außen durch PL-Mapping [13]. Mehrere Punkte, die erhöhte PL-Intensitäten im WS₂-Bereich zeigen, können als Träger-Inhomogenität erklärt werden, verursacht durch Verunreinigungen oder Vakanzen [14]. Zusätzlich könnten die stärkeren PL-Emissionen an der Grenzfläche als dem MoS₂-Bereich als inhomogene Verteilung der Träger oder höhere photoinduzierte Trägerrekombinationsrate an den Kanten interpretiert werden [14]. Sowohl Raman- als auch PL-Mapping deuten auf eine scharfe und gut genähte Grenzfläche zwischen MoS₂ und WS₂ hin [14, 44]. Die Dicke und Oberflächenmorphologie wurden mit Atomkraftmikroskopie (AFM) im Tapping-Modus gemessen. Beachten Sie, dass wenige Korngrenzen, die zu Ladungsträgerstreuung führen [45], im Materialinneren beobachtet werden, aber Kanten, die bessere elektrische Transportleistung anzeigen, wie in Abb. 1f gezeigt [14, 46]. Die Dicke von WS₂ außen beträgt ~ 0,7 nm (unten) konsistent mit zuvor berichteter CVD-gewachsener WS₂-Monolage [47], und der Höhenunterschied zwischen WS₂ und MoS₂ beträgt etwa 0,25 nm (oben), was auf Monolagen MoS₂ hinweist [47]. Insgesamt können die obigen Materialcharakterisierungsergebnisse den lateralen Monolagen MoS₂/WS₂-Heteroübergang mit der scharfen Grenzfläche demonstrieren.

Materialcharakterisierungsergebnisse der als lateralen Monolagen MoS₂/WS₂-Heterostruktur gewachsenen. (a) Das optische Bild des lateralen Monolagen MoS₂/WS₂-Heteroübergangs. (b) Das Raman-Spektrum, erhalten von den mit 1, 2 und 3 in (a) markierten Stellen. Das Raman-Mapping-Bild (c), PL-Mapping-Bilder des MoS₂-Bereichs (d) und WS₂-Bereichs (e) aus dem roten gerahmten Bereich in (a). Der entsprechende Falschfarbenbalken wird am unteren Rand von (c)-(e) eingefügt. (f) Der entsprechende Querschnitts-Höhenprofil der blauen (zwischen WS₂ und MoS₂) und weißen (zwischen WS₂ und Substrat) Linien, markiert im AFM-Morphologiebild

Photodetektoren wurden mit einem EBL-System basierend auf dem lateralen MoS₂/WS₂-Heteroübergang gefertigt. Abbildung 2a zeigt das schematische Diagramm (oben) des lateralen Heteroübergangs-Bauelements und die entsprechende Typ-II-Bandausrichtung (unten). Entsprechend werden Elektronen und Löcher durch die Grenzfläche in MoS₂- und WS₂-Bereiche transferiert und eingeschlossen, jeweils, wodurch die photoelektrische Umwandlung erreicht wird [13, 21, 24, 48]. Wir führen dies auf den Photogating-Effekt zurück, wie einen speziellen Fall des Photoleitfähigkeitseffekts [49]. Der Photogating-Effekt kann als lokaler Photogate arbeiten, der die Kanalleitfähigkeit moduliert [50]. Das optische Bild des Bauelements mit der effektiven Bauelementfläche von ~ 40 µm² wird in Abb. 2b mit E1 und E2 Elektroden als Source- und Drain-Elektroden beschrieben. Um die Heteroübergangskonfiguration herauszufinden, wurde kombiniertes Raman-Mapping durchgeführt (Abb. 2c), was die Kanalmaterialien des lateralen MoS₂/WS₂-Heteroübergangs zwischen den gemessenen Source- und Drain-Elektroden (E1 und E2) anzeigt [28]. Die blauen, roten und dunklen Abschnitte sind MoS₂, WS₂ und Metallelektroden. Abbildung 2d zeigt die halb-logarithmischen Ausgangscharakteristikkurven des lateralen Heteroübergangs unter sichtbarem Licht mit 405 nm, 520 nm und 635 nm. Der Inset in Abb. 2d offenbart eine lineare I-V-Beziehung zwischen dem Kanal und den Elektroden [51,52,53,54,55,56]. Der lineare I-V-Charakter ist förderlich für das Erreichen hoher Responsivität, aber schlechte Empfindlichkeit von Photodetektoren aufgrund eines hohen Dunkelstroms [57]. Zusätzlich erhöht sich der I_ph (d.h. I_light - I_dark) des Photodetektors auf das 12,5-fache von dem vor dem thermischen Glühen, was möglicherweise auf verringerten Kontaktwiderstand [46, 58], Entfernung von Defekten [59] und verbesserte elektrische Leitfähigkeit [60] zurückzuführen ist. Abbildung 2e zeigt die Photoschaltcharakteristiken, angeregt durch die oben genannten Wellenlängen. Der transiente Strom steigt schnell an, wenn das Licht an ist, und fällt ab, sobald das Licht aus ist, was impliziert, dass dieser Photodetektor als prompter lichtaktivierter Schalter dienen kann [61].

Optoelektronische Charakteristiken des Photodetektors. (a) Das schematische Diagramm und vorgeschlagene Bandausrichtung des Photodetektors. Das optische Bild (b) und entsprechendes kombiniertes Raman-Mapping (c) des Photodetektors. E1 und E2 repräsentieren die Source- und Drain-Elektroden des gemessenen Bauelements. Die halb-logarithmischen (d) und linearen (Inset von (d)) I-V-Charakteristiken und die Photoschaltcharakteristiken (e) des Photodetektors

Die halb-logarithmischen Ausgangscharakteristiken mit derselben Wellenlänge, aber variierten Lasermachtdichten sind in Abb. 3a dargestellt. Wie erwartet, wird der Photostrom vergrößert, wenn die Lasermachtdichten aufgrund mehr induzierter photogenerierter Träger zunehmen [62]. Abbildung 3b zeigt die I-V-Kurven mit derselben Lasermachtdichte, aber unterschiedlichen einfallenden Wellenlängen (d.h. unterschiedliche Lichtabsorptionsmenge und optische Anregungsenergie). Obwohl die kürzere Wellenlänge weniger Photonen besitzt im Vergleich zur längeren Wellenlänge bei derselben Lasermachtdichte. In diesem Fall steigt der gemessene transiente Strom mit der Abnahme der Bestrahlungswellenlänge. Dies kann durch die reduzierte optische Absorption bei der längeren Wellenlänge verursacht werden [63, 64]. Abbildung 3c beschreibt den transientsen Strom unter periodischer Laserbeleuchtung von 10 s, was eine stabile reproduzierbare Photoreaktion anzeigt [61]. Für die meisten niedrigdimensionalen Photodetektoren, die vom Photogating-Effekt dominiert werden, können begrenzte Reaktionsgeschwindigkeit und hohe Responsivität aufgrund der verlängerten Überschuss-Trägerlebensdauer erzielt werden [50, 65]. Die Anstiegs-/Abfallzeit ist definiert als die Zeit, die erforderlich ist, damit der Photostrom von 10%/90% des stabilen Wertes auf 90%/10% ansteigt/fällt [66, 67]. Die relativ lange Anstiegs-/Abfallzeit sollte durch langsame Trägerrekombination verursacht werden, die aus Laserbeleuchtung resultiert, die viele defekte Zustände anregt [68]. Daher wurde die Reaktionszeit einschließlich Anstiegszeit und Abfallzeit durch den Photogating-Effekt geopfert, wegen der langlebigen Ladungsträger-Fangprozesse [57]. Einige Forscher haben vorgeschlagen, dass hochwertiges Kanalmaterial, das einen glatten und kurzen Pfad für Trägertransfer bieten kann, und optimale Bauelementstruktur die Reaktionsgeschwindigkeit verbessern können [69, 70]. Tatsächlich sind die Hauptmerkmale der photosensitiven Bauelemente hauptsächlich Responsivität (R) und Detektivität (D*). R wird berechnet durch die Relationen:

$$R = I_{ph} / (P \cdot S)$$ (1)

wobei P und S Lasermachtdichte und effektive Bauelementfläche sind [62, 71, 72]. Abbildung 3d zeigt die entsprechenden Werte von R des Photodetektors unter verschiedenen Lasermachtdichten. Die Spitzen-R erreicht bis zu ~ 567,6 A/W und liefert den wettbewerbsfähigen Leistungsparameter. Die hohe R wird der unterdrückten Photoladungsträger-Rekombination in der Heterostruktur zusammen mit Elektronenfang in der MoS₂-Region zugeschrieben [22]. Die abnehmende R mit zunehmender Lasermachtdichte offenbart den Photogating-Effekt im Photodetektor weiter [73].

Photoreaktionsverhalten des Photodetektors. Die I-V-Charakteristiken unter verschiedenen 405 nm Lasermachtdichten (a) und unter verschiedenen einfallenden Wellenlängen von 5 mW/cm² (b). (c) Der zeitaufgelöste Photoreaktionszyklus, angeregt durch periodisches Ein-/Ausschalten des einfallenden Lichts. (d) Die extrahierte R (schwarze Kugel) als Funktion der Lasermachtdichten. Die angewendete Spannung für (c-d) beträgt 1 V

Zusätzlich folgen Photostrom und Lasermachtdichte der Potenzgesetz-Gleichung:

$$I_{ph} = A P^{\alpha}$$ (2)

wobei A eine Konstante und 0 < α < 1 ist. Der Wert von α, erhalten durch Anpassen der Kurve von I_ph versus P in Abb. 4a, ist mit dem Prozess von Trägerfang, Rekombination und Transfer verbunden [74, 75]. Die sublineare Beziehung zwischen I_ph und P deutet auf das Vorhandensein des Photogating-Effekts im Bauelement weiter hin [65]. Ein höherer Wert von α (wie ~ 0,73) kann erzielt werden, wenn niedrigere Machtdichten angewendet werden aufgrund reduzierter Photoladungsträger-Rekombination und Wechselwirkungen zwischen Trägern [75, 76]. Im Gegensatz dazu können höhere Machtdichten einen degradierten α-Wert von ~ 0,55 resultieren wegen stärkerer Rekombinationsverluste und mehr Fallenzuständen [77]. Die Vorbedingung für das berechnete D* über die Gleichung:

$$D^* = R \cdot (S / (2e I_{dark}))^{1/2}$$ (3)

ist, dass die Photodetektoren durch Schrotrauschen als Hauptrauschquelle begrenzt sind [49, 66, 78]. Um D* genauer zu bewerten, wird der Rauschstrom, der in Abb. 4b erhalten wird, unter verschiedenen Frequenzen gemessen [74]. Abbildung 4b zeigt das typische 1/f-Rauschen [79] in unseren Photodetektoren, was ein signifikantes Hindernis für die Halbleiterindustrie von neuen Materialien ist. Diese Art von Rauschen resultiert hauptsächlich aus geladenen Verunreinigungen und Fangstellen im leitenden Kanal [57, 80]. Höhere Materialqualität und geringe strukturelle Defektdichte sind erwünscht, um das 1/f-Rauschen zu reduzieren [81]. Gemäß der Formel:

$$D^* = R \cdot (S \Delta f)^{1/2} / I_{noise}$$ (4)

wobei Δf und I_noise Messbandbreite und Rauschstrom sind [79], beträgt die Detektivität des Photodetektors etwa 7,17 × 10¹¹ Jones. Tabelle 1 hat einige ausgewählte repräsentative Photodetektoren mit entsprechender Photoreaktionsleistung basierend auf 2D-Materialien verglichen. Die relativ hohe R und D* unserer Photodetektoren zeigen großes Potenzial in optoelektronischen Bauelementen.

(a) Das Diagramm von I_ph versus Lasermachtdichten. (b) Das Stromleistungsspektrum (S_I) unter verschiedenen Frequenzen. Die angewendete Spannung für (a-b) beträgt 1 V

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurde ein hochleistungsfähiger Photodetektor basierend auf dem lateralen Monolagen MoS₂/WS₂-Heteroübergang entwickelt. Die Größe der Kanalmaterialien, die durch die einstufige flüssigphasen CVD-Methode gewachsen sind, reicht bis in den Millimetermaßstab. Zudem wurden die hochwertigen Kanalmaterialien mit guter Gleichmäßigkeit und scharfer Grenzfläche durch systematische Materialcharakterisierungen und anschließende Bauelementmessungen untersucht. Insbesondere werden hohe Responsivität von 567,6 A/W und Detektivität von ~ 10¹¹ Jones für die Photodetektoren erreicht, zugeschrieben dem Photogating-Effekt. Die Leistung der vorgeschlagenen lateralen MoS₂/WS₂-Heteroübergangs-Photodetektoren ist besser als oder vergleichbar mit der berichteten Arbeit [24, 62, 76, 78, 86, 97, 98]. Zusätzlich nehmen wir an, dass das unerwünschte 1/f-Rauschen, das aus dem Fangen/Entfangen von Ladungsträgern entsteht, möglicherweise weiter durch hochwertiges und defektfreies Kanalmaterial reduziert werden kann. Das einfache einstufige flüssigphasen CVD-Wachstum und die exzellente optoelektronische Leistung der Photodetektoren können weitere Forschung zu optoelektronischen Bauelementen basierend auf lateralen Heterostrukturen motivieren.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Datensätze, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels unterstützen, sind im Artikel enthalten.