Fototransistor MoTe₂ Stabil di Udara dengan Kontak Asimetris Hasilkan Respons Fotovoltaik Kuat dan Respons Sub-Milisetik
Abstrak
Kami melaporkan pembuatan fototransistor multi-lapis MoTe2 bertipe p yang stabil di udara dan menyatukan kontak sumber dan drain asimetris. Menggunakan elektroda Au, perangkat menunjukkan respons fotovoltaik yang mencolok dalam kondisi off. Pemetaan arus foto spasial yang dihasilkan dengan mikroskopi pemindaian arus foto mengungkapkan bahwa potensi step terbentuk pada antarmuka MoTe2/elektroda karena dopingan yang diinduksi logam. Step ini mendominasi pemisahan penguat di bawah bias source-drain pendek atau rendah, yang mengarah pada arus foto bersih. Perangkat merespons lebih cepat dalam mode pendek, dengan waktu naik dan turun di bawah 1 ms, dan respons foto merentang hingga infra merah dekat hingga 1550 nm.
Latar Belakang
Bahan dua dimensi (2D) seperti grafit dan kalkogen logam transisi (TMDs) telah mengubah nanosains dengan menawarkan semiconductor tipis atom dengan bandgap yang cukup besar dan fleksibilitas mekanikal yang luar biasa [1–9]. Di antaranya, 2H-MoTe2 menonjol dengan bandgap tidak langsung sebesar 0,83 eV dalam bentuk bulk dan bandgap langsung sebesar 1,1 eV saat ditebalkan menjadi monolaer [22,23]. Material ini telah dieksplorasi untuk spintronika, transistor efek medan (FET), detektor cahaya, dan sel surya [24–33]. Performa listrik perangkat MoTe2 bergantung pada kualitas kontak logam. Material elektroda yang tepat dapat menginduksi dopingan tipe p atau n dan mencapai kontak Ohmik dengan hambatan rendah [34–40]. Sementara banyak studi membandingkan logam kontak, sedikit yang secara sistematis menguji bagaimana geometri kontak asimetris mempengaruhi fisika perangkat, terutama dalam detektor cahaya fotovoltaik.
Di sini kami memproduksi fototransistor multi-lapis MoTe2 bertipe p yang stabil di udara dengan kontak sumber/drain asimetris. Menggunakan mikroskopi pemindaian arus foto (SPCM), kami memetakan profil potensi spasial dan menunjukkan bahwa kontak asimetris menghasilkan arus foto bersih yang tidak nol dan perilaku fotovoltaik, bahkan dalam kondisi off. Perangkat memberikan respons foto sub-milisetik dan beroperasi hingga 1550 nm, menjadikannya cocok untuk aplikasi komunikasi.
Hasil dan Pembahasan
Dua perangkat multi-lapis MoTe2 dengan gate belakang (D1 dan D2) diproduksi pada substrat 300 nm SiO2/p⁺-Si. Mikroskopi optik, AFM, dan spektroskopi Raman mengonfirmasi kualitas dan ketebalan saluran MoTe2. Perangkat D1, ditunjukkan dalam Gambar 1, memiliki panjang saluran 10 µm dan film MoTe2 tebal 23 nm. Potongan kontak sumber dan drain adalah 6,5 µm dan 4,8 µm, masing-masing, yang memberikan asimetri yang mencolok (lihat File Tambahan 1: Gambar S1).
Karakterisasi listrik (Gambar 1c) menunjukkan perilaku tipe p yang jelas dengan rasio on/off sebesar 6,8 × 10³ pada bias source-drain 1 V. Mobilitas efek medan adalah 14,8 cm²/Vs. Bahkan pada bias yang diminu (100 mV), rasio on/off tetap di atas 6,0 × 10³ (File Tambahan 1: Gambar S3). Perangkat menunjukkan histeresis yang minimal dan tetap stabil di udara.
Di bawah sinar 637 nm (Gambar 2), arus source-drain meningkat dengan daya laser. Ketika tegangan gate diatur ke 5 V, transistor memasuki kondisi off namun masih menunjukkan arus foto yang terukur, yang membuktikan tindakan fotovoltaik. Tegangan open-circuit (VOC) memenuhi pada 50 mV, sementara arus pendek (ISC) naik dari 0 ke 1,6 nA seiring dengan peningkatan daya iluminasi dari 0 hingga 4,2 mW. Pentingnya, VOC dan ISC tetap tidak berubah saat polaritas bias yang diterapkan dibalik, mengonfirmasi bahwa arus foto berasal dari efek fotovoltaik intrinsik bukan artefak termoelektrik atau photothermoelektrik (Gambar 2d).
Pemetaan SPCM (Gambar 3) pada panjang gelombang 1200 nm mengungkapkan bahwa puncak arus foto yang kuat muncul di dekat antarmuka MoTe2/elektroda di bawah kondisi pendek. Puncak bergeser ke pusat saluran saat tegangan gate belakang ditingkatkan dari –5 V ke +5 V, yang menunjukkan bahwa potensi step pada kontak mendominasi pemisahan penguat pada bias rendah. Ketika bias source-drain ditingkatkan (Gambar 4), puncak arus foto secara bertahap pindah ke pusat saluran, mengonfirmasi bahwa bias yang diterapkan akhirnya mengalahkan potensi step yang diinduksi kontak.
Pengamatan ini menunjukkan bahwa geometri kontak asimetris menciptakan arus foto bersih bahkan ketika perangkat secara listrik off. Respons fotovoltaik kuat di seluruh perangkat dengan berbagai tingkat asimetri (D2 dan sampel tambahan dalam File Tambahan 1: Gambar S8) dan bertahan di seluruh rentang spektrum yang luas.
Pengukuran resolusi waktu (Gambar 5a) menunjukkan waktu naik 20 µs dan waktu turun 127 µs di bawah bias source-drain nol, sementara waktu meningkat menjadi 210 µs dan 302 µs, masing-masing, pada bias 1 V. Perilaku ini mencerminkan transisi dari generasi arus foto yang didominasi kontak ke yang didominasi saluran. Pengukuran respons spektral (Gambar 5b) mengonfirmasi bahwa perangkat sensitif dari 1200 nm hingga 1550 nm, yang mencakup jendela komunikasi optik standar.
Kesimpulan
Kami telah memproduksi fototransistor MoTe2 bertipe p yang stabil di udara dengan kontak sumber/drain asimetris yang menunjukkan respons fotovoltaik yang mencolok dalam kondisi off. Mikroskopi pemindaian arus foto telah mengungkapkan bahwa potensi step yang diinduksi logam pada antarmuka MoTe2/elektroda adalah penggerak kunci pemisahan penguat pada bias rendah. Perangkat memberikan respons foto sub-milisetik dan beroperasi di seluruh spektrum visible dan infra merah dekat hingga 1550 nm, yang menggarisbawahi potensinya untuk detektor cahaya daya rendah dan aplikasi komunikasi optik.
Metode/Eksperimen
Elektroda sumber, drain, dan gate diatur pada substrat 300-nm SiO2/p⁺-Si menggunakan litografi UV standar, diikuti dengan etching selektif SiO2 di bawah gate dan e-bam evaporasi 5 nm/100 nm Cr/Au. Kristal multi-lapis MoTe2 diekfoliasi mekanis dari kristal tunggal 2H-MoTe2 yang dibangun oleh transport kimia vapor (agen transport TeCl4, 750 °C → 700 °C, 3 hari). Flakes MoTe2 ditransfer pada elektroda yang diatur menggunakan alkohol polivinil (PVA) sebagai medium transfer, yang kemudian dilarutkan dalam air dan dicuci dengan alkohol isopropil. AFM (SPA-300HV) dan spektroskopi Raman (laser 514-nm, obyektif 100×) mengkarakterisasi ketebalan dan kualitas kristal.
Pengukuran listrik dan respons foto dilakukan dengan analyzer semiconductor Agilent B1500A dan stasiun probe Lakeshore di bawah iluminasi laser 637 nm (spot > 200 µm). Arus foto resolusi waktu direkam dengan preamplifier DL1211 dan osiloskop Keysight MSOX3024T. Pemindaian arus foto spasial menggunakan setup SPCM buatan sendiri dengan laser putih SuperK EXTREME, dapat disetel melalui filter SuperK SELECT, difokuskan oleh obyektif 20×. Arus foto diekstrak dengan preamplifier DL1211 dan pengunci sinyal SR830 pada frekuensi chopping 1 kHz.
Singkatan
- 2D
- Dua dimensi
- 2H-MoTe₂
- Molybdenum ditelluride tipe 2H
- AFM
- Mikroskopi gaya atom
- FET
- Transistor efek medan
- IPC
- Arus foto
- ISC
- Arus pendek
- Isd
- Arus source-drain
- PVA
- Alkohol polivinil
- TMDs
- Kalkogen logam transisi
- Vbg
Tegangan gate belakang | - VOC
Tegangan open-circuit | - Vsd
Tegangan source-drain | - τfall
Waktu turun | - τrise
Waktu naik |
