Responsivitas fototransistor multi-layer MoS2 yang bergantung pada bias

Abstrak

Kami mempelajari variasi fotoresponsivitas dalam multi-layer MoS₂ fototransistor saat bias yang diterapkan berubah. Penguatan respons foto diperoleh saat lubang fotogenerasi terperangkap di MoS₂ menarik elektron dari sumbernya. Dengan demikian, fotoresponsivitas dapat dikontrol oleh gerbang atau bias saluran. Ketika bias gerbang di bawah tegangan ambang, sejumlah kecil elektron terdifusi ke dalam saluran, karena penghalang besar antara MoS₂ dan elektroda sumber. Dalam rezim ini, ketika bias gerbang atau saluran pembuangan meningkat, penghalang antara MoS₂ saluran dan sumber menjadi lebih rendah dan jumlah elektron yang disuntikkan ke saluran meningkat secara eksponensial, menghasilkan peningkatan fotoresponsivitas secara eksponensial. Di sisi lain, jika bias gerbang berada di atas tegangan ambang, fotoresponsivitas dipengaruhi oleh kecepatan pembawa daripada tinggi penghalang karena arus pembuangan dibatasi oleh kecepatan drift pembawa. Oleh karena itu, dengan peningkatan bias saluran, kecepatan pembawa meningkat secara linier dan menjadi jenuh karena saturasi kecepatan pembawa, dan oleh karena itu, fotoresponsivitas juga meningkat secara linier dan menjadi jenuh.

Latar Belakang

Baru-baru ini, bahan logam transisi dichalcogenide (TMD) termasuk molibdenum disulfida (MoS₂ ) dan tungsten diselenide (WSe₂ ) telah menerima banyak perhatian sebagai bahan saluran untuk perangkat nanoelektronik generasi berikutnya [1,2,3,4,5,6]. Secara khusus, transistor film tipis yang menggunakan MoS₂ menunjukkan karakteristik listrik yang menarik seperti mobilitas elektron yang tinggi (~ 200 cm² V⁻¹ s⁻¹ ), rasio ON/OFF arus tinggi (~ 10⁸ ), dan ayunan subambang rendah (~ 70 mV dec⁻¹ ) dalam satu lapisan MoS₂ transistor [7]. Selain itu, MoS₂ menarik perhatian sebagai lapisan penyerap cahaya dalam perangkat optoelektronik karena energi celah pitanya (MoS lapisan tunggal₂ memiliki celah pita langsung 1,8 eV [8] dan MoS massal₂ memiliki celah pita tidak langsung 1,2 eV [9]) dan koefisien penyerapan yang besar (α = 1–1.5 × 10⁶ cm⁻¹ untuk lapisan tunggal [10] dan 0,1–0,6 × 10⁶ cm⁻¹ untuk massal [11]). Oleh karena itu, fototransistor menggunakan MoS₂ memiliki arus gelap rendah dalam keadaan OFF dan fotoresponsivitas tinggi. Kinerja MoS₂ phototransistor telah ditingkatkan dengan memperkenalkan lapisan tambahan seperti graphene [12,13,14,15], quantum dot [16,17,18], pewarna organik [19], WS₂ [20,21,22], ZnO [23], dan MoS tipe-p₂ [24] atau dengan mengubah dielektrik gerbang [7, 25, 26]. Dengan cara ini, banyak penelitian telah dilakukan secara aktif untuk meningkatkan fotoresponsivitas melalui proses manufaktur tambahan; namun, ada kekurangan penelitian tentang kontrol penguatan dan pemahaman khusus tentang MoS₂ fototransistor. Ketika kontrol penguatan diaktifkan, berbagai intensitas cahaya dapat dideteksi dengan andal, dan penguatan dapat ditingkatkan tanpa proses manufaktur tambahan. Dalam konteks ini, kami menyelidiki fotoresponsivitas yang dikendalikan bias (drain atau gerbang) di multi-layer MoS₂ fototransistor.

Metode

Gambar 1a menunjukkan diagram skematik dari multi-layer MoS₂ fototransistor. Kami menumbuhkan 250 nm SiO₂ pada substrat silikon yang banyak didoping-n. MoS multi-lapisan₂ serpihan dieksfoliasi secara mekanis dari MoS massal₂ (Graphene Supermarket, USA) dan ditransfer ke SiO₂ /Si substrat dengan menggunakan metode scotch-tape konvensional [27]. Elektroda source dan drain dipola dengan fotolitografi dan Ti/Au (5/80 nm) diendapkan pada pola dengan menggunakan e-beam evaporator. Gambar 1b menunjukkan gambar AFM (Atomic Force Microscope) dari fototransistor yang dibuat. Panjang dan lebar saluran masing-masing adalah 7,31 dan 4,74 m, dan sisipan menunjukkan ketebalan multi-layer MoS₂ adalah sekitar 49 nm, yang sesuai dengan sekitar 75 lapisan, dengan asumsi ketebalan satu lapisan menjadi 0,65 nm [28, 29].

MoS yang dibuat₂ fototransistor dan karakteristik listrik. a Diagram skema dari multi-layer MoS₂ fototransistor. b Gambar Atomic Force Microscope (AFM) dari fototransistor. Inset adalah plot penampang sepanjang garis merah pada gambar AFM. c Mentransfer karakteristik MoS multi-layer₂ phototransistor dengan tegangan drain 3, 9, 15, 21, dan 27 V dalam keadaan gelap. d Variasi ayunan subthreshold dengan meningkatnya bias saluran

Hasil dan diskusi

Gambar 1c menunjukkan karakteristik transfer dari multi-layer MoS₂ phototransistor dengan bias saluran 3, 9, 15, 21, dan 27 V dalam gelap. Karakteristik tegangan-arus dari MoS multi-lapisan fabrikasi₂ fototransistor diukur menggunakan meter sumber saluran ganda (Keithley 2614B) pada suhu kamar dan N₂ Sekelilingnya. Rasio AKTIF/MATI kira-kira 10⁵ . Mobilitas efek medan diperkirakan 18,6 cm² /V s untuk bias drain 3 V dari persamaan berikut [26]:

$$ {\mu}_{\mathrm{eff}}=\left({g}_m\cdot L\ \right)/\left(\ {C}_{\mathrm{OX}}\cdot W\cdot {V}_{\mathrm{DS}}\kanan) $$ (1)

dimana L adalah panjang saluran, W adalah lebar saluran, dan kapasitansi oksida C _OX adalah 1,38 × 10⁻⁸ F/cm² . Jelas diamati bahwa ketika bias saluran meningkat, tegangan ambang berkurang dan ayunan sub ambang meningkat. Hal ini menunjukkan bahwa tegangan ambang dan ayunan sub ambang dipengaruhi oleh bias saluran. Secara umum, tegangan ambang diperkirakan dengan persamaan:

$$ {V}_{\mathrm{th}}={V}_{\mathrm{GS}}(0)-{V}_{\mathrm{DS}}/2 $$ (2)

dimana V _GS (0) adalah perpotongan antara garis tren di bagian linier dari kurva transfer dan x -sumbu. Namun, Persamaan. (2) mengasumsikan bias saluran kecil sehingga efek saturasi kecepatan dapat diabaikan (V _DS L ν _sab /μ _eff = 10 V, di mana ν _sab adalah kecepatan saturasi dan μ _eff adalah mobilitas efek medan); oleh karena itu, sulit untuk mengekstrak tegangan ambang yang tepat untuk bias saluran besar. Untuk alasan ini, kami hanya mengekstrak perubahan ayunan subthreshold dan mengkonfirmasi efek bias saluran pada saluran. Gambar 1d menunjukkan perubahan ayunan subthreshold yang diekstraksi dari kemiringan bagian linier log (I _D ) − (V _GS ) grafik untuk bias saluran yang berbeda. Ayunan subthreshold meningkat dari 1,44 V/dekade menjadi 3,14 V/dekade ketika bias saluran meningkat dari 3 menjadi 27 V. Ini menyiratkan bahwa bias saluran besar menurunkan penghalang antara MoS₂ saluran dan elektroda sumber Au, sehingga melemahkan kemampuan kontrol saluran dari bias gerbang.

Untuk menyelidiki responsivitas MoS₂ phototransistor, kami mengukur karakteristik transfer pada berbagai kepadatan daya iluminasi menggunakan laser solid-state (DPSS) yang dipompa dengan panjang gelombang 466-nm. Gambar 2a menunjukkan karakteristik transfer multi-layer MoS₂ phototransistor di bawah gelap dan di bawah tiga intensitas cahaya yang berbeda (5, 7, dan 10 mW/cm² ), pada tegangan drain 3 V. Saat intensitas cahaya meningkat, kurva transfer bergeser ke kiri, yang menunjukkan bahwa lubang fotogenerasi terperangkap di MoS₂ saluran dan bertindak sebagai bias gerbang positif [13, 30, 31]. Gambar 2b menunjukkan bahwa variasi arus foto dan responsivitas ketika intensitas cahaya dan bias saluran meningkat pada bias gerbang konstan − 30 V. Arus foto diperoleh dengan selisih antara arus saluran di bawah penerangan dan dalam gelap (I _ph = Aku _diterangi Aku _gelap ), dan responsivitas ditentukan oleh I _ph /P _ringan , di mana Aku _ph adalah arus foto dan P _ringan adalah daya optik yang menyala di MoS₂ saluran. Saat bias saluran dan intensitas cahaya meningkat, arus foto dan responsivitas meningkat. Mempertimbangkan laser dengan panjang gelombang 466 nm, responsivitas yang sesuai dengan 100% efisiensi kuantum eksternal (EQE) adalah 0,375 A/W, dan responsivitas terukur melebihi nilai ini, ketika bias pembuangan adalah 15 V dan intensitas cahaya 8 mW/cm² . Ini berarti ada peningkatan respons foto di MoS multi-layer ini₂ fototransistor dan dipengaruhi oleh bias saluran.

Karakteristik respons foto dari MoS₂ fototransistor tergantung pada intensitas cahaya yang disinari. a Mentransfer karakteristik dengan konstanta V _DS = 3 V di bawah penerangan dengan tiga intensitas cahaya yang berbeda (5, 7, dan 10 mW/cm² ). b Perubahan arus foto dengan peningkatan intensitas cahaya ketika bias saluran yang berbeda (V _DS = 9, 15 V) dan bias gerbang konstan (V _GS = − 30 V) diterapkan

Untuk mengamati perubahan fotoresponsivitas menurut tegangan gerbang, kami mengukur arus foto sambil meningkatkan tegangan pembuangan dari 3 menjadi 27 V di bawah 5 mW/cm² penerangan cahaya (Gbr. 3a). Saat bias gerbang yang diterapkan meningkat, arus foto meningkat secara eksponensial dalam keadaan OFF (V _GS < V _th ) dan menjadi jenuh dalam keadaan ON (V _th < V _GS ). Ini karena, ketika bias gerbang yang diterapkan adalah 30 V (kondisi OFF) dan menyala (Gbr. 3b), penghalang besar terbentuk antara MoS₂ saluran dan elektroda source/drain (Au). Dengan demikian, elektron yang diperlukan untuk menjaga netralitas saluran, yang dihancurkan oleh lubang yang terperangkap, tidak disuntikkan dengan baik ke dalam saluran. Namun, karena bias gerbang meningkat hingga tegangan ambang batas, penghalang menjadi lebih kecil dan elektron dapat dengan mudah berdifusi ke MoS₂ saluran. Oleh karena itu, arus foto meningkat secara eksponensial sebelum tegangan ambang. Di sisi lain, jika bias gerbang menjadi lebih besar dari tegangan ambang, yaitu, ketika perangkat dihidupkan, penghalang cukup diturunkan dan arus foto jenuh (Gbr. 3c). Juga diperhatikan bahwa arus foto meningkat baik dalam keadaan OFF dan ON seiring dengan peningkatan bias saluran. Ini berarti bahwa tidak seperti sifat fotorespons fototransistor konvensional, yang diukur hanya dalam keadaan OFF [26, 32], terdapat penguatan fotorespons bahkan dalam keadaan ON saat tegangan saluran meningkat.

Respons foto dari MoS₂ fototransistor tergantung pada bias yang diterapkan. a Arus foto pada berbagai bias saluran (3, 9, 15, 21, dan 27 V) dan intensitas cahaya konstan (5 mW/cm² ) tergantung pada bias gerbang. b, k Diagram pita energi dari MoS multi-lapisan₂ fototransistor

Untuk memverifikasi efek bias saluran pada fotoresponsivitas MoS₂ phototransistor dalam keadaan OFF dan ON, karakteristik respons foto diukur dengan menyinarinya dengan cahaya dan memasangnya ke bias gerbang 30 dan 27 V yang sesuai dengan keadaan OFF dan keadaan ON, masing-masing. Gambar 4a menunjukkan perubahan arus foto, dan Gambar 4b menunjukkan responsivitas dan deteksi spesifik menurut bias saluran dalam keadaan OFF. Deteksi spesifik diekstraksi dari persamaan [26, 33]:

$$ {D}^{\ast }=R\cdot {A}^{1/ 2}/{\left(2\cdot q\cdot {I}_{\mathrm{gelap}}\kanan)}^ {1/2} $$ (3)

dimana R adalah responsivitas, A adalah area MoS₂ saluran, q adalah muatan satuan, dan I _gelap adalah arus gelap. Dalam keadaan OFF, arus foto dan responsivitas meningkat secara eksponensial dengan bias saluran yang lebih tinggi. Oleh karena itu, arus foto (responsivitas), yaitu 4,28 × 10⁻¹⁴ A (0,12 A/W) saat bias pembuangan 3 V dan intensitas cahaya 10 mW/cm² , meningkat tajam menjadi 1,57 × 10⁻⁸ A (4,53 A/W) ketika bias pengurasan 27 V diterapkan. Hasil ini menunjukkan bahwa arus foto dan responsivitas meningkat secara eksponensial dengan meningkatnya bias saluran. Di sisi lain, dalam keadaan ON, arus foto (Gbr. 4c) dan responsivitas (Gbr. 4d) meningkat secara linier dan menjadi jenuh saat bias saluran meningkat. Saat intensitas cahaya konstan pada 5 mW/cm² dan bias pembuangan meningkat dari 3 menjadi 27 V, arus foto (responsivitas) meningkat 5 kali lipat dari 2,9 × 10⁻⁶ A (1677 A/W) hingga 1,5 × 10⁻⁵ A (8667 A/W). Selain itu, sifat deteksi menunjukkan kecenderungan yang sama dengan responsivitas. Dalam keadaan OFF (Gbr. 4b), meningkat dari 1,76 × 10⁸ Naik menjadi 2,87 × 10⁸ Jones ketika bias saluran dinaikkan dari 3 menjadi 27 V di bawah intensitas cahaya 10 mW/cm² . Dalam status ON (Gbr. 4d), meningkat dari 6,14 × 10⁹ Jones menjadi 8,63 × 10⁹ Jones ketika bias saluran dinaikkan dari 3 menjadi 27 V di bawah intensitas cahaya 5 mW/cm² . Oleh karena itu, karena arus difusi dominan dalam keadaan OFF, responsivitas meningkat secara eksponensial saat bias saluran meningkat. Di sisi lain, arus drift dominan dalam keadaan ON; oleh karena itu, responsivitas meningkat secara linier seiring dengan meningkatnya bias saluran.

Karakteristik respons foto diukur pada empat radiasi yang berbeda (5, 7, 8, dan 10 mW/cm² ) ketika bias saluran meningkat. a Arus foto, b responsivitas, dan deteksi spesifik dalam keadaan OFF. Sisipan dalam a dan b diplot dengan skala log arus foto dan responsivitas, masing-masing. c Arus foto, d responsivitas, dan deteksi spesifik dalam status AKTIF

Karakteristik yang bergantung pada bias saluran yang diamati dari MoS multi-lapisan₂ fototransistor dapat dijelaskan dengan diagram pita energi skema yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Ketika multi-layer MoS₂ saluran diterangi, pasangan elektron-lubang difotogenerasi di saluran. Lubang fotogenerasi terperangkap di MoS₂ saluran, sehingga merusak netralitas saluran. Kemudian, saluran bermuatan positif menarik lebih banyak elektron dari sumber untuk menjaga netralitas, dan berapa banyak elektron yang disuplai dari sumber menentukan penguatan fotorespons. Ketika bias gerbang yang diterapkan di bawah ambang batas, ada penghalang besar antara MoS₂ saluran dan sumber seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a dan arus pembuangan dibatasi oleh difusi melewati penghalang. Saat bias drainase yang diterapkan meningkat (Gbr. 5b), penghalang diturunkan karena lentur dari MoS₂ saluran, sehingga memfasilitasi pasokan elektron untuk netralitas saluran. Oleh karena itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, fotoresponsivitas meningkat secara eksponensial untuk bias saluran. Ketika bias gerbang yang diterapkan berada di atas ambang batas, penghalang antara MoS₂ dan sumber cukup rendah (Gbr. 5c), arus pembuangan dibatasi oleh penyimpangan pembawa di saluran. Oleh karena itu, kecepatan hanyut pembawa merupakan faktor utama dalam variasi fotoresponsivitas. Dalam rezim ini, saat bias saluran yang diterapkan meningkat (Gbr. 5d), kecepatan pembawa dan fotoresponsivitas meningkat secara linier dan jenuh pada bias aliran tertentu (~ 10 V) seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d.

Diagram pita energi dari multi-layer MoS₂ fototransistor di bawah iluminasi pada bias saluran rendah di OFF (V _GS < V _th ) status (a ) dan bias menguras tinggi dalam keadaan OFF (b ). Bias saluran rendah di ON (V _GS> V _th ) status (c ) dan bias menguras tinggi dalam keadaan AKTIF (d )

Kesimpulan

Kami membuat MoS multi-layer₂ fototransistor berbasis dan menyelidiki biasnya (drain atau gerbang) yang dikendalikan fotoresponsivitas secara rinci. Perubahan fotoresponsivitas menurut bias dapat diklasifikasikan menjadi dua kasus:ketika bias gerbang lebih kecil dari tegangan ambang (kondisi OFF) dan ketika bias gerbang lebih besar dari tegangan ambang (kondisi ON). Ketika bias gerbang lebih kecil dari tegangan ambang, sejumlah kecil elektron terdifusi ke saluran, karena penghalang besar antara MoS₂ dan elektroda sumber. Ketika bias gerbang atau saluran pembuangan meningkat, ketinggian penghalang berkurang dan jumlah elektron yang disuntikkan ke saluran untuk netralitas meningkat. Akibatnya, fotoresponsivitas meningkat secara eksponensial. Di sisi lain, ketika bias gerbang lebih besar dari tegangan ambang, fotoresponsivitas dipengaruhi oleh kecepatan pembawa daripada ketinggian penghalang karena arus dibatasi oleh kecepatan drift pembawa. Saat bias saluran meningkat, kecepatan pembawa meningkat secara linier dan menjadi jenuh. Oleh karena itu, fotoresponsivitas meningkat secara linier dan menjadi jenuh. Kami dapat memahami variasi responsivitas dalam multi-layer MoS₂ fototransistor berbasis-sesuai dengan bias gerbang atau saluran pembuangan. Dengan demikian, gain dapat dikontrol untuk meningkatkan jangkauan aplikasi MoS₂ phototransistor dan untuk beroperasi secara optimal, tergantung pada tujuan dan lingkungan.

Analisis Pemetaan Raman dari Resonator Cincin Mikro Silikon Terintegrasi Grafena Kinerja Magnetisasi Uniaksial dari Array Kawat Nano Fe Bertekstur Elektrodeposisi dengan Teknik Deposisi Potensial Berdenyut

bahan nano