Efek Fotovoltaik Lateral Besar di Heterojunction MoS2/GaAs

Hasil dan Diskusi

Gambar 1 menunjukkan spektrum Raman dari MoS₂ film pada substrat GaAs. Selain puncak substrat GaAs pada ~ 287,1 cm ⁻¹ , dua karakteristik MoS₂ Puncak Raman dapat dilihat, A_1g mode pada 406.7 cm ⁻¹ dan E ¹ _2g mode pada 378,9 cm ⁻¹ . Dua sisipan kanan menunjukkan ilustrasi getaran atom di MoS₂ . A_1g mode sesuai dengan atom S yang berosilasi dalam antifase sepanjang arah keluar bidang, dan E ¹ _2g mode sesuai dengan atom S dan Mo yang berosilasi dalam antifase sejajar dengan bidang kristal. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, puncak Raman sesuai dengan A_1g mode istimewa bersemangat untuk film. Menurut pengukuran kami, rasio intensitas A_1g /E ¹ _2g adalah sekitar 2.1. Karakteristik Raman ini mirip dengan hasil lain yang dilaporkan tentang MoS₂ film tipis [19]. Sisipan kiri menunjukkan gambar topografi AFM dari MoS 40-nm₂ film yang ditumbuhkan pada substrat GaAs. Dari gambar, kita dapat melihat bahwa permukaan film terdiri dari butiran padat seperti kerucut. Menurut pengukuran, kekasaran root-mean-square (RMS) film adalah sekitar 1,7 nm, dan ukuran rata-rata butiran berdiameter sekitar 76,3 nm. Butir-butir ini di permukaan dapat mengurangi pantulan permukaan terhadap cahaya eksternal dan meningkatkan penyerapan cahaya dari perangkat yang dibuat.

Spektrum Raman dari MoS₂ film di GaAs. Dua sisipan kanan menunjukkan ilustrasi skema dari mode osilasi E ¹ _2g dan A_1g , masing-masing. Kode warna atom:biru muda-hijau, Mo; kuning, S. Sisipan kiri menunjukkan gambar morfologi permukaan MoS yang sudah dewasa₂ film

Gambar 2 menunjukkan spektrum XPS dari MoS₂ film. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2a, puncak pada 229,3 dan 232,5 eV terkait dengan Mo 3d_5/2 dan Mo 3d_3/2 orbital, masing-masing. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, S 2p_3/2 dan S 2p_1/2 orbital ion sulfida divalen (S ²⁻ ) diamati pada 162,2 dan 163,3 eV, masing-masing. Hasilnya sesuai dengan nilai yang dilaporkan untuk MoS₂ kristal [17, 18].

Spektrum XPS dari MoS₂ film untuk a Mo dan b elemen S, masing-masing

Gambar 3a menunjukkan I longitudinal membujur -V kurva dari MoS yang dibuat₂ /n -GaAs heterojungsi. Dua elektroda In dengan diameter sekitar 0,5 mm ditekan pada permukaan MoS₂ film dan bagian belakang GaAs, masing-masing. Inset menunjukkan sirkuit skema untuk pengukuran longitudinal. Tegangan maju didefinisikan sebagai tegangan bias positif yang diterapkan pada elektroda In atas. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, MoS yang dibuat₂ /n -GaAs heterojunction menunjukkan perilaku perbaikan yang jelas. Rasio perbaikan (I ₊ /Aku ₋ ) diukur pada ± 1.0 V adalah sekitar 520. Dalam percobaan kami, baik In/MoS₂ dan In/GaAs milik kontak ohmik dan I their -V kurva hampir linier. Dengan demikian, pembetulan I -V karakteristik di heterojunction terutama berasal dari MoS₂ /GaAs kontak. Gambar 3b menunjukkan transversal I -V kurva dari MoS yang dibuat₂ /n -GaAs heterojungsi. Dua elektroda In dengan diameter sekitar 0,5 mm ditekan pada permukaan MoS₂ film. Inset atas menunjukkan sirkuit skema untuk pengukuran transversal. Dari gambar, I -V kurva menunjukkan sedikit peningkatan nonlinier arus dengan meningkatnya tegangan. Ini menunjukkan bahwa lapisan inversi di MoS₂ /n Antarmuka -GaAs terbentuk [18]. Sisipan bawah menunjukkan I -V kurva dari MoS tunggal₂ film pada substrat GaAs intrinsik. Dari gambar, hampir linear I -V kurva dapat dilihat, lebih lanjut menunjukkan sifat ohmik dari In/MoS₂ kontak. Pada tegangan + 0,5 V, arus satu MoS₂ adalah sekitar 3,1 × 10 ⁻² A, jauh lebih kecil dari nilai di MoS₂ /n -GaAs, sekitar 2,3 A. Jadi, dibandingkan dengan MoS₂ film, lapisan inversi di MoS₂ /n Antarmuka -GaAs memasok jalur dengan resistivitas yang jauh lebih rendah untuk transportasi pembawa selama pengukuran transversal MoS₂ /n -GaAs heterojunction.

a Membujur I -V kurva dari MoS yang dibuat₂ /n -GaAs heterojungsi. Inset menunjukkan sirkuit skema untuk pengukuran longitudinal. b melintang I -V kurva dari MoS yang dibuat₂ /n -GaAs heterojungsi. Inset atas menunjukkan sirkuit skema untuk pengukuran transversal. Sisipan bawah menunjukkan I -V kurva dari MoS₂ film pada substrat GaAs intrinsik

Gambar 4a menunjukkan rangkaian skema untuk pengukuran LPE dari MoS yang dibuat₂ /GaAs heterojungsi. Dua elektroda In dengan diameter 0,5 mm ditekan pada permukaan MoS₂ film untuk melakukan pengukuran LPE. Jarak (2L ) antara elektroda adalah ~ 1.0 mm. Selama pengukuran kami, elektroda A dan B masing-masing dihubungkan ke probe positif dan negatif dari Keithley 2000 voltmeter. Gambar 4b menunjukkan kurva LPE dari MoS₂ /n -GaAs dan MoS₂ /p -GaAs heterojungsi, masing-masing. Ketebalan MoS₂ film adalah ~ 30.0 nm. Saat permukaan MoS₂ film sebagian diterangi oleh titik laser dengan diameter sekitar 0,1 mm, LPE besar dapat diamati di MoS₂ /n -GaAs heterojungsi. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, LPE menunjukkan ketergantungan linier pada posisi titik laser ketika titik laser bergerak antara elektroda A dan B pada MoS₂ permukaan. Dari gambar, kita dapat melihat bahwa LPV bergantung pada posisi titik laser. Ini dapat dilengkapi dengan teori difusi [16],

dimana K ₀ , 2L , d , dan x mewakili koefisien proporsionalitas, jarak antara dua elektroda, panjang difusi pembawa, dan posisi titik laser, masing-masing. Hasil yang sesuai pada gambar dengan jelas menunjukkan bahwa LPE di MoS₂ /n Heterojungsi -GaAs muncul dari aliran difus lateral dan rekombinasi pembawa tereksitasi menjauh dari posisi laser. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, nilai LPV adalah nol ketika titik cahaya berada di tengah antara dua elektroda, yang dapat dikaitkan dengan simetri difusi pembawa. Ketika posisi lampu dekat dengan elektroda A, LPV positif dan sebaliknya. Hal ini menunjukkan bahwa LPE di MoS₂ /n -GaAs heterojunction disebabkan oleh pembawa fotoeksitasi tipe lubang. LPV maksimum diperoleh ketika iluminasi laser paling dekat dengan elektroda. Menurut pengukuran kami, tegangan foto lateral maksimum (LPV_maks ) sekitar 208,2 mV di wilayah linier MoS₂ /n -GaAs heterojungsi. Relatif, LPV dari MoS₂ /p -GaAs heterojunction jauh lebih kecil dan LPV-nya_maks hanya 7,3 mV, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Dari gambar tersebut, kita dapat melihat bahwa LPE dari MoS₂ /p Heterojungsi -GaAs ditentukan oleh pembawa fotoeksitasi tipe elektron. Selain itu, karakteristik LPE nonlinier dari MoS₂ /p Heterojungsi -GaAs dapat dilihat dari gambar saat titik laser bergerak di antara elektroda A dan B.

a Skema rangkaian untuk pengukuran LPE. b Kurva LPE dari MoS₂ /n -GaAs dan MoS₂ /p -GaAs heterojunctions, masing-masing

Gambar 5 menunjukkan sensitivitas LPE dari MoS₂ /n -GaAs heterojunction sebagai fungsi dari kekuatan laser dan ketebalan (d _MoS2 ) dari MoS₂ film. Sensitivitas ditentukan oleh S =LPV_maks /L . Jelas, S meningkat secara drastis dengan meningkatnya daya laser pada awalnya tetapi kemudian perlahan jenuh ketika daya semakin meningkat. Kejenuhan ini dapat disebabkan oleh laju rekombinasi yang meningkat pesat dari lubang-lubang yang terfotoeksitasi dengan meningkatnya intensitas laser di wilayah yang diterangi [20]. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, LPE yang jelas dan sensitivitas tinggi dapat diperoleh bahkan di bawah penerangan laser yang lemah sebesar 100,0 W. Dari gambar tersebut, ketergantungan yang signifikan dari sensitivitas pada ketebalan MoS₂ film dapat dilihat. Kapan d _MoS2 =~ 10.0 nm, S =165,4 mV mm ⁻¹ di bawah iluminasi laser 100,0 W. Dengan meningkatnya ketebalan film, S meningkat secara bertahap. Kapan d _MoS2 =30,0 nm, S mencapai 416,4 mV mm ⁻¹ . Sensitivitas ini jauh lebih besar daripada MoS yang dilaporkan₂ /Si perangkat [17, 18]. Setelah d _MoS2> 30,0 nm, S menurun dengan meningkatnya MoS₂ ketebalan. Kapan d _MoS2 =90,0 nm, S = 283,3 mV mm ⁻¹ . Dengan demikian, untuk mendapatkan LPE dan sensitivitas terbesar, terdapat ketebalan MoS yang optimum₂ film di MoS yang dibuat₂ /n -GaAs, sekitar 30,0 nm.

Ketergantungan sensitivitas positif dan negatif dari MoS yang dibuat₂ /n -GaAs heterojunction pada kekuatan laser, masing-masing

Gambar 6a menyajikan spektrum UPS dari MoS₂ film pada substrat Si. Fungsi kerja (W ) dari film dapat dihitung dari perbedaan antara cut-off energi ikat tertinggi dan energi foton dari radiasi eksitasi. Dari gambar, A =5,24 eV dapat diperoleh. Jarak (∆E ) antara pita valensi (E _V ) dan tingkat Fermi (E _B ) dari MoS₂ film dapat diekstraksi dari energi awal, seperti yang ditunjukkan pada sisipan. E untuk MoS₂ film sekitar 0,51 eV. Menggunakan data dari spektrum transmisi MoS₂ film pada substrat kuarsa, (αhν ) ² diplot sebagai fungsi energi foton hν , dimana h adalah konstanta Planck dan ν adalah frekuensi foton. α adalah koefisien penyerapan, dihitung dengan αd =ln(1/T ) [21], di mana d dan T adalah ketebalan dan transmisi film, masing-masing. Celah pita (E _g ) dari film dapat ditentukan dari perpotongan garis pada hν sumbu, E _g =1,54 eV, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b. Berdasarkan parameter pita energi ini, p -jenis perilaku MoS₂ film dapat ditentukan, yang selanjutnya dapat dibuktikan dengan pengukuran Hall. Hasil Hall menunjukkan bahwa konsentrasi pembawa tipe lubang dan mobilitas sekitar 3,8 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ dan 11,2 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , masing-masing.

a Spektrum UPS dari MoS₂ film di GaAs, menunjukkan tingkat Fermi film dan jarak antara tingkat Fermi dan tepi atas pita konduksi. b (hν ) ² ~~hν kurva dari spektrum UV MoS₂ film pada substrat kuarsa di bawah kondisi pengendapan yang sama

Untuk memperjelas mekanisme LPE di MoS₂ /GaAs heterojunctions, diagram pita energi pada antarmuka dibangun berdasarkan hasil pada Gambar 6. Di sini, E _g =1,42 eV dan E _B =4,17 eV untuk n -GaAs diperhitungkan untuk membangun struktur pita [22]. Saat MoS₂ film diendapkan ke substrat GaAs, elektron mengalir dari GaAs ke MoS₂ film di antarmuka karena E . yang lebih tinggi _B dari GaA. Proses mengalir berhenti ketika tingkat Fermi sama dan MoS₂ /GaAs p -n persimpangan dibuat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a. Akibatnya, bidang bawaan (E _dua ) dibentuk pada antarmuka MoS₂ /GaAs heterojungsi. E _dua =[E _B (n -GaAs) E _B (MoS₂ )]/e =1,07 V dan menunjuk dari GaAs ke MoS₂ film. Jadi, asimetris longitudinal I -V kurva ditunjukkan pada Gambar. 3a. Karena adanya E . yang kuat _dua , sejumlah besar pembawa tipe lubang terakumulasi di dekat antarmuka dan lapisan inversi terbentuk di n -GaAs substrat dekat antarmuka, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7b. Mirip dengan gas lubang dua dimensi (2DHG) [23], lapisan inversi dapat menunjukkan fitur konduksi tinggi karena konsentrasi lembaran lubang yang tinggi (p+ ). Dari Gambar 3b, kita dapat melihat bahwa konduksi lapisan inversi jauh lebih besar daripada MoS₂ film. Jadi, konduksi antara dua elektroda pada sisi yang sama dari MoS₂ film didominasi oleh lapisan inversi daripada MoS₂ film. Ketika persimpangan sebagian diterangi oleh laser, cahaya diserap dan pasangan elektron-lubang di MoS₂ film dan GaAs dapat diinduksi, masing-masing, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7c. Namun, dapat diharapkan bahwa sebagian besar laser diserap oleh substrat GaAs karena ketebalannya yang jauh lebih besar dan celah pita yang lebih kecil. Di bawah iluminasi laser, pasangan lubang elektron hanya dapat tereksitasi di wilayah yang diterangi dan dipisahkan secara spasial oleh E _dua . Karena orientasi E _dua menunjuk dari GaAs ke MoS₂ , lubang photoexcited mengalir menuju antarmuka dan masuk ke lapisan inversi di GaAs, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7c. Lubang photoexcited di lapisan inversi menyebar secara lateral menjauh dari tempat yang diterangi ke dua elektroda. Konsentrasi lubang tereksitasi yang dikumpulkan oleh kedua elektroda berbeda untuk jarak yang berbeda dari tempat yang diterangi. Dengan demikian, LPV besar terbentuk di antara elektroda, dan LPE diamati di heterojungsi. Ini sesuai dengan hasil pemasangan dari Gambar 3b, dan LPE di MoS2/n Heterojungsi -GaAs terutama berasal dari difusi pembawa. Saat MoS₂ film disimpan ke p -GaAs substrat, sebuah p -p heterojunction terbentuk, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7d. E _B (p -GaAs) =5,32 eV digunakan dalam diagram pita [22]. E _dua dari p -p heterojunction dapat dihitung, 0,08 V, dan arahnya menunjuk dari film ke substrat. Karena E _dua , pembawa tipe elektron terakumulasi di dekat antarmuka heterojungsi dan lapisan inversi terbentuk. Dengan demikian, LPE yang diinduksi oleh difusi elektron terfotoeksitasi diperoleh di MoS₂ /GaAs p -p heterojunction, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Namun, konsentrasi pembawa terakumulasi dalam lapisan inversi mungkin lebih rendah karena lemahnya V _dua hanya 0,08 V di p -p heterojunction dibandingkan dengan p -MoS₂ /n -GaAs persimpangan. Hal ini meningkatkan kesulitan pengangkutan elektron fotoeksitasi di lapisan inversi. Serius, penghalang Schottky dapat dibentuk antara n -tipe lapisan inversi dan p -MoS₂ film, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7e. Karakteristik p . ini -MoS₂ /p Sambungan -GaAs menekan pengumpulan elektron yang terfotoeksitasi pada elektroda. Akibatnya, LPE dapat dikurangi sebagian besar. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, LPV_maks untuk p -p persimpangan hanya 7,3 mV sementara mencapai 208,2 mV di p -n persimpangan.

a Penyelarasan pita energi dari MoS₂ /n -GaAs heterojunction, dan b ilustrasi yang sesuai dari kontak listrik pada antarmuka. c Mekanisme LPE di MoS₂ /n -GaAs heterojungsi. d Penyelarasan pita energi dari MoS₂ /p -GaAs heterojunction, dan e ilustrasi yang sesuai dari kontak listrik pada antarmuka

Biasanya terjadi pada PSD tipe heterojungsi yang dilaporkan bahwa LPE dapat disetel dengan mengubah ketebalan lapisan tutup [20]. Ini dapat dipahami dengan baik dengan mempertimbangkan rekombinasi pembawa fotoeksitasi dalam film dan evolusi bidang bawaan. Di MoS₂ /GaAs p -n persimpangan, rekombinasi pembawa yang dihasilkan foton dapat ditingkatkan karena jalur pengangkutan yang panjang di MoS yang tebal₂ film sebelum dikumpulkan oleh elektroda. Ini mengurangi LPE dari heterojungsi. Sebaliknya, film yang lebih tipis dapat sangat mengurangi rekombinasi, yang menyebabkan peningkatan LPE. Namun, ketika MoS₂ ketebalan lebih kecil dari nilai kritis, E _dua di antarmuka menurun dengan penurunan lebih lanjut MoS₂ ketebalan [24]. Ini dapat mengurangi pemisahan pasangan lubang elektron yang dihasilkan foton, dan LPE menurun. Dengan demikian, terdapat ketebalan optimum dari MoS₂ film untuk mendapatkan LPE tertinggi, sekitar 30 nm.