Respons Fotovoltaik Lateral yang Luar Biasa dalam Heterojungsi MoS₂/GaAs untuk Deteksi Posisi Sensitif Tinggi

Abstrak

Kami melaporkan efek fotovoltaik lateral (LPE) rekaman dalam film tipis molibdenum disulfida (MoS₂) yang ditetapkan pada n-GaAs tipe n melalui sputtering magnetron DC. Heterojungsi MoS₂/n-GaAs menampilkan fotovoltaj linier yang naik hingga 208,2 mV ketika titik laser dekat elektroda, sesuai dengan sensitivitas 416,4 mV mm⁻¹. Nilai ini jauh melebihi sensitivitas yang dilaporkan untuk MoS₂/Si dan perangkat berbasis MoS₂ lainnya. Sebaliknya, juncsi MoS₂/p-GaAs menunjukkan LPE yang jauh lebih lemah (7,3 mV). Analisis penyelarasan band energi mengatribusikan performa unggul pada medan bawaan yang kuat (E_bi = 1,07 V) yang membentuk lapisan inversi konduktivitas tinggi dalam n-GaAs, memungkinkan difusi pembawa muatan lateral yang efisien. Ketebalan MoS₂ optimal adalah ≈30 nm, menyeimbangkan difusi pembawa muatan dan rekombinasi. Temuan ini menunjukkan bahwa heterostruktur MoS₂/GaAs menjanjikan untuk detektor sensitif posisi berkinerja tinggi.

Latar Belakang

Molibdenum disulfida (MoS₂) adalah semiconductor dua dimensi prototipikal yang menawarkan bandgap yang dapat disesuaikan, rasio on/off yang tinggi (>10⁸) dalam transistor, dan fotodetektor dengan responsivitas tinggi [1–5]. Tidak seperti grafen yang tidak memiliki bandgap, bandgap langsung MoS₂ (~1,8 eV untuk monolaag, menurun seiring bertambahnya jumlah lapisan) menjadikannya ideal untuk perangkat optoelektronik [6]. Pekerjaan terkini telah mengintegrasikan MoS₂ dengan semiconductor III–V seperti GaAs, Si, dan GaN untuk mengeksploitasi properti komplementer [9–13]. GaAs, dengan bandgap langsung 1,42 eV dan mobilitas elektron ~8000 cm² V⁻¹ s⁻¹, telah mengaktifkan sel surya MoS₂/GaAs (PCE > 9%) [9] dan fotodetektor yang dijalankan sendiri dengan detektivitas 3,5 × 10¹³ Jones [10]. Namun, detektor fotovoltaik lateral MoS₂/GaAs masih kurang dieksplorasi. LPE, yang timbul dari difusi dan rekombinasi lateral pembawa muatan yang dihasilkan cahaya dalam lapisan inversi, menghasilkan fotovoltaj yang bervariasi linier dengan posisi titik laser dan sangat berharga untuk deteksi sensitif posisi (PSD) dalam robotika, sensing biomedis, dan kontrol proses [14–18].

Metode

Bubuk MoS₂ (kemurnian 99%) ditekan dingin (20 MPa) untuk membentuk target 60 mm × 4,5 mm dan di-sputter pada substrat GaAs (100) (n-, p-, dan intrinsik) pada 400 °C di bawah 1 Pa, 10 W. Tebalan film (≈10–90 nm) diatur oleh waktu penyetoran dan dikonfirmasi oleh SEM penampang lintang. Pads In (300 µm × 0,5 mm) berfungsi sebagai elektroda. Karakterisasi termasuk spektroskopi Raman (488 nm), AFM, XPS (Kratos Axis ULTRA), transmisi UV-Vis (Shimadzu UV-3150), UPS (He-I 21,22 eV), dan pengukuran listrik (Keithley 2000/2400). LPE diteliti dengan spot laser 650 nm (≈0,1 mm) yang discan antara dua kontak In (~1 mm terpisah). Sensitivitas S = LPV_max/L.

Hasil dan Pembahasan

Validasi struktural dan spektroskopi—Puncak Raman pada 406,7 cm⁻¹ (A₁g) dan 378,9 cm⁻¹ (E¹²g) mengonfirmasi MoS₂ kristal; rasio intensitas A₁g/E¹²g ≈2,1 selaras dengan literatur [19]. AFM menunjukkan gerindai cone padat (≈76 nm) dengan kekasaran RMS 1,7 nm, yang meningkatkan serapan cahaya.

Perilaku listrik—Heterojungsi MoS₂/n-GaAs menunjukkan I–V yang melingkar dengan rasio ~520 pada ±1 V (Gambar 3a). Kurva I–V melintasi menunjukkan nonlinieritas ringan, yang mengindikasikan lapisan inversi dalam n-GaAs (Gambar 3b). Sebaliknya, MoS₂ pada GaAs intrinsik menunjukkan I–V linier, mengonfirmasi kontak ohmik In/MoS₂.

Efek fotovoltaik lateral—Kurva LPE untuk MoS₂/n-GaAs linier terhadap posisi titik laser, cocok dengan model difusi LPV = K₀[exp(−|L−x|/d)−exp(−|L+x|/d)]. LPV maksimum adalah 208,2 mV, sementara MoS₂/p-GaAs hanya menunjukkan 7,3 mV, mengonfirmasi ketergantungan tipe pembawa muatan. Sensitivitas puncak pada 416,4 mV mm⁻¹ untuk film MoS₂ 30 nm, menurun untuk film yang lebih tebal karena rekombinasi yang meningkat, dan naik untuk film yang lebih tipis karena medan bawaan yang lebih rendah (Gambar 5).

Analisis band energi—UPS menghasilkan fungsi kerja MoS₂ sebesar 5,24 eV dan offset band valensi 0,51 eV, yang menunjukkan perilaku tipe p. Digabungkan dengan parameter GaAs (E_g = 1,42 eV, E_F = 4,17 eV untuk n-GaAs), antarmuka membentuk juncsi p–n dengan E_bi = 1,07 V yang menunjuk dari GaAs ke MoS₂, menciptakan lapisan inversi konduktivitas tinggi (Gambar 7a–b). Dalam kasus p-GaAs, E_bi yang lemah (0,08 V) menghasilkan densitas pembawa muatan yang lebih rendah dalam lapisan inversi dan LPE yang sesuai lebih lemah (Gambar 7d–e).

Optimasi ketebalan MoS₂ menyeimbangkan difusi pembawa muatan terhadap rekombinasi, menghasilkan LPE maksimum pada ~30 nm.

Kesimpulan

Film MoS₂ yang di-sputter magnetron DC pada n-GaAs menghasilkan LPE luar biasa dengan sensitivitas 416,4 mV mm⁻¹ dan respons fotovoltaj linier terhadap posisi laser. Medan bawaan yang kuat dan lapisan inversi mendasari performa ini, sedangkan sepadan p-GaAs menunjukkan sensitivitas yang jauh lebih rendah (7,3 mV mm⁻¹). Ketebalan MoS₂ 30 nm mengoptimalkan trade-off antara difusi pembawa muatan dan rekombinasi. Wawasan ini mengonfirmasi bahwa heterojungsi MoS₂/GaAs adalah platform yang menjanjikan untuk detektor sensitif posisi berkinerja tinggi.

Singkatan

ΔE

Jarak antara E_V dan E_F

d_MoS2

Tebalan film MoS₂

E_bi

Medan bawaan

E_C

Tingkat konduksi band

E_F

Tingkat energi Fermi

E_g

Energi bandgap

E_V

Tingkat band valensi

I–V

Arus–tegangan

LPE

Efek fotovoltaik lateral

LPV

Fotovoltaj lateral

LPV_max

Fotovoltaj lateral maksimum

MoS2

Molibdenum disulfida

PSD

Detektor sensitif posisi

UPS

Spektroskopi fotoelektron ultraviolet

W

Fungsi kerja