Pengontrolan Fotoresponsivitas Fototransistor Multi-Lapisan MoS₂ Melalui Biased Terapkan

Abstrak

Kami mempelajari variasi fotoresponsivitas fototransistor multi-lapisan MoS₂ saat bias berubah. Gain fotorespons tercapai ketika lubang yang dihasilkan cahaya terperangkap dalam MoS₂ menarik elektron dari sumber. Dengan demikian, fotoresponsivitas dapat dikontrol oleh bias gate atau drain. Saat bias gate di bawah tegangan ambang, sejumlah kecil elektron menyebar ke dalam saluran karena hambatan besar antara MoS₂ dan elektroda sumber. Dalam regime ini, seiring meningkatnya bias gate atau drain, hambatan antara saluran MoS₂ dan sumber menurun, dan jumlah elektron yang disuntikkan ke dalam saluran meningkat secara eksponensial, menghasilkan peningkatan eksponensial dalam fotoresponsivitas. Di sisi lain, jika bias gate di atas tegangan ambang, fotoresponsivitas dipengaruhi oleh kecepatan pemakai muatan daripada tinggi hambatan karena arus drain dibatasi oleh kecepatan drift pemakai muatan. Oleh karena itu, seiring meningkatnya bias drain, kecepatan pemakai muatan meningkat secara linier dan menjadi terpuas karena saturasi kecepatan pemakai muatan, dan oleh karena itu, fotoresponsivitas juga meningkat secara linier dan menjadi terpuas.

Latar Belakang

Terakhir, bahan dalkogen logam transisi (TMD) termasuk disulfida molibdenum (MoS₂) dan diselenida tungsten (WSe₂) telah mendapat perhatian besar sebagai bahan saluran untuk perangkat nanoelektronik generasi mendatang [1,2,3,4,5,6]. Khususnya, transistor tipis film yang menggunakan MoS₂ menunjukkan karakteristik listrik menarik seperti mobilitas elektron tinggi (~200 cm² V⁻¹ s⁻¹), rasio ON/OFF arus tinggi (~10⁸), dan subthreshold swing rendah (~70 mV dec⁻¹) dalam transistor MoS₂ lapisan tunggal [7]. Selain itu, MoS₂ menarik perhatian sebagai lapisan penyerap cahaya dalam perangkat optoelektronik karena energi bandgap-nya (MoS₂ lapisan tunggal memiliki bandgap langsung 1,8 eV [8] dan MoS₂ massa memiliki bandgap tidak langsung 1,2 eV [9]) dan koefisien serap yang besar (α = 1–1,5 × 10⁶ cm⁻¹ untuk lapisan tunggal [10] dan 0,1–0,6 × 10⁶ cm⁻¹ untuk massa [11]). Oleh karena itu, fototransistor yang menggunakan MoS₂ memiliki arus gelap rendah dalam keadaan OFF dan fotoresponsivitas tinggi. Kinerja fototransistor MoS₂ telah ditingkatkan dengan memperkenalkan lapisan tambahan seperti grafena [12,13,14,15], titik kuantum [16,17,18], pewarna organik [19], WS₂ [20,21,22], ZnO [23], dan MoS₂ tipe p [24] atau dengan mengubah dielektrik gate [7, 25, 26]. Dengan cara ini, banyak studi telah dilakukan secara aktif untuk meningkatkan fotoresponsivitas melalui proses manufaktur tambahan; namun, kurangnya penelitian tentang kontrol gain dan pemahaman spesifik tentang fototransistor MoS₂. Ketika kontrol gain diaktifkan, rentang intensitas cahaya yang luas dapat dideteksi secara andal, dan gain dapat ditingkatkan tanpa proses manufaktur tambahan. Dalam konteks ini, kami menyelidiki fotoresponsivitas yang dikontrol bias (drain atau gate) dalam fototransistor multi-lapisan MoS₂.

Metode

Gambar 1a menunjukkan skema diagram fototransistor multi-lapisan MoS₂ yang difabrikasi. Kami menumbuhkan SiO₂ 250 nm pada substrat silikon yang sangat n-doped. Flakes MoS₂ multi-lapisan diekfoliasi secara mekanis dari MoS₂ massa (Graphene Supermarket, USA) dan ditransfer ke substrat SiO₂/Si menggunakan metode scotch-tape konvensional [27]. Elektroda sumber dan drain dibuat pola melalui photo-lithography dan Ti/Au (5/80 nm) ditetapkan pada pola tersebut menggunakan e-beam evaporator. Gambar 1b menunjukkan gambar AFM (Atomic Force Microscope) dari fototransistor yang difabrikasi. Panjang saluran dan lebarnya masing-masing 7,31 dan 4,74 µm, dan inset menunjukkan ketebalan MoS₂ multi-lapisan sekitar 49 nm, yang berkorespondensi dengan sekitar 75 lapisan, dengan asumsi ketebalan satu lapisan 0,65 nm [28, 29].

Fototransistor MoS₂ yang difabrikasi dan karakteristik listriknya. a Diagram skema fototransistor multi-lapisan MoS₂ yang difabrikasi. b Gambar AFM dari fototransistor. Inset adalah plot penampang sepanjang garis merah dalam gambar AFM. c Karakteristik transfer fototransistor multi-lapisan MoS₂ dengan tegangan drain 3, 9, 15, 21, dan 27 V dalam kegelapan. d Variasi subthreshold swing seiring meningkatnya bias drain

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1c menunjukkan karakteristik transfer fototransistor multi-lapisan MoS₂ dengan bias drain 3, 9, 15, 21, dan 27 V dalam kegelapan. Karakteristik arus-tegangan fototransistor multi-lapisan MoS₂ yang difabrikasi diukur menggunakan source meter dua saluran (Keithley 2614B) pada suhu ruang dan lingkungan N₂. Rasio ON/OFF sekitar 10⁵. Mobilitas efek lapangan diperkirakan 18,6 cm²/V s untuk bias drain 3 V dari persamaan berikut [26]:

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

di mana L adalah panjang saluran, W adalah lebar saluran, dan kapasitasa oksida C _OX adalah 1,38 × 10⁻⁸ F/cm². Terlihat jelas bahwa saat bias drain meningkat, tegangan ambang menurun dan subthreshold swing meningkat. Ini menunjukkan bahwa tegangan ambang dan subthreshold swing dipengaruhi oleh bias drain. Secara umum, tegangan ambang diperkirakan dengan persamaan:

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

di mana V _GS(0) adalah titik potong antara garis tren pada bagian linear kurva transfer dan sumbu x. Namun, Eq. (2) mengasumsikan bias drain kecil sehingga efek saturasi kecepatan bisa diabaikan (V _DS〈〉L ⋅ ν _sat/μ _eff = 10 V, di mana ν _sat adalah kecepatan saturasi dan μ _eff adalah mobilitas efek lapangan); oleh karena itu, sulit untuk mengekstrak tegangan ambang yang tepat untuk bias drain yang besar. Untuk alasan ini, kami hanya mengekstrak perubahan subthreshold swing dan mengonfirmasi efek bias drain pada saluran. Gambar 1d menunjukkan perubahan subthreshold swing yang diekstrak dari kemiringan bagian linear grafik log(I _D ) − (V _GS) untuk berbagai bias drain. Subthreshold swing meningkat dari 1,44 V/dekade menjadi 3,14 V/dekade saat bias drain meningkat dari 3 hingga 27 V. Ini mengindikasikan bahwa bias drain yang besar menurunkan hambatan antara saluran MoS₂ dan elektroda sumber Au, sehingga melemahkan kontrol saluran oleh bias gate.

Untuk menyelidiki responsivitas fototransistor MoS₂, kami mengukur karakteristik transfer pada berbagai kepadatan daya sinar menggunakan laser solid-state di-pompa dioda (DPSS) panjang gelombang 466 nm. Gambar 2a menunjukkan karakteristik transfer fototransistor multi-lapisan MoS₂ dalam kegelapan dan di bawah tiga intensitas cahaya berbeda (5, 7, dan 10 mW/cm²), pada tegangan drain 3 V. Seiring meningkatnya intensitas cahaya, kurva transfer bergeser ke kiri, yang menunjukkan bahwa lubang yang dihasilkan cahaya terperangkap dalam saluran MoS₂ dan bertindak sebagai bias gate positif [13, 30, 31]. Gambar 2b menunjukkan variasi arus foto dan responsivitas saat intensitas cahaya dan bias drain meningkat pada bias gate konstan −30 V. Arus foto diperoleh dari perbedaan antara arus drain dalam penginderaan dan dalam kegelapan (I _ph = I _illuminated − I _dark), dan responsivitas didefinisikan oleh I _ph/P _light, di mana I _ph adalah arus foto dan P _light adalah daya optik yang diterapkan pada saluran MoS₂. Seiring meningkatnya bias drain dan intensitas cahaya, 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 yang diukur melebihi nilai ini ketika bias drain 15 V dan intensitas cahaya 8 mW/cm². Ini berarti bahwa ada gain fotorespons dalam fototransistor multi-lapisan MoS₂ ini dan dipengaruhi oleh bias drain.

Karakteristik fotorespons fototransistor MoS₂ tergantung pada intensitas cahaya yang diterapkan. a Karakteristik transfer dengan V _DS = 3 V konstan di bawah penerangan dengan tiga intensitas cahaya berbeda (5, 7, dan 10 mW/cm²). b Perubahan arus foto seiring meningkatnya intensitas cahaya saat berbagai bias drain (V _DS = 9, 15 V) dan bias gate konstan (V _GS = −30 V) diterapkan

Untuk mengamati perubahan fotoresponsivitas sesuai tegangan gate, kami mengukur arus foto sambil meningkatkan tegangan drain dari 3 hingga 27 V di bawah penerangan cahaya 5 mW/cm² (Fig. 3a). Seiring meningkatnya bias gate yang diterapkan, arus foto meningkat secara eksponensial dalam keadaan OFF (V _GS < V _th) dan menjadi terpuas dalam keadaan ON (V _th < V _GS). Ini karena, saat bias gate yang diterapkan −30 V (keadaan OFF) dan diterima cahaya (Fig. 3b), hambatan besar terbentuk antara saluran MoS₂ dan elektroda sumber/drain (Au). Dengan demikian, elektron yang diperlukan untuk mempertahankan netralitas saluran, yang dihancurkan oleh lubang yang terperangkap, tidak dengan baik disuntikkan ke dalam saluran. Namun, seiring meningkatnya bias gate hingga tegangan ambang, hambatan menjadi lebih kecil dan elektron dapat dengan mudah menyebar ke dalam saluran MoS₂. Oleh karena itu, arus foto meningkat secara eksponensial sebelum tegangan ambang. Di sisi lain, jika bias gate menjadi lebih besar dari tegangan ambang, yaitu ketika perangkat dinyalakan, hambatan cukup menurun dan arus foto menjadi terpuas (Fig. 3c). Juga diperhatikan bahwa arus foto meningkat baik dalam keadaan OFF maupun ON seiring meningkatnya bias drain. Ini berarti bahwa tidak seperti properti fotorespons fototransistor konvensional, yang diukur hanya dalam keadaan OFF [26, 32], ada gain fotorespons bahkan dalam keadaan ON seiring meningkatnya tegangan drain.

Fotorespons fototransistor MoS₂ tergantung pada bias yang diterapkan. a Arus foto pada berbagai bias drain (3, 9, 15, 21, dan 27 V) dan intensitas cahaya konstan (5 mW/cm²) tergantung pada bias gate. b, c Diagram energi band dari fototransistor multi-lapisan MoS₂

Untuk memverifikasi efek bias drain pada fotoresponsivitas fototransistor MoS₂ dalam keadaan OFF dan ON, karakteristik fotorespons diukur dengan memancarkannya dengan cahaya dan menetapkannya pada bias gate −30 dan 27 V yang masing-masing sesuai dengan keadaan OFF dan ON. Gambar 4a menunjukkan perubahan arus foto, dan Gambar 4b menunjukkan responsivitas dan detektivitas spesifik sesuai bias drain dalam keadaan OFF. Detektivitas spesifik diekstrak dari persamaan [26, 33]:

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

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

Karakteristik fotorespons yang diukur pada empat iradiansi berbeda (5, 7, 8, dan 10 mW/cm²) saat bias drain meningkat. a Arus foto, b responsivitas, dan detektivitas spesifik dalam keadaan OFF. Insets dalam a dan b dirilis dengan skala log arus foto dan responsivitas, masing-masing. c Arus foto, d responsivitas, dan detektivitas spesifik dalam keadaan ON

Karakteristik bergantung pada bias drain yang diamati pada fototransistor multi-lapisan MoS₂ dapat dijelaskan oleh diagram energi band skematik yang ditunjukkan dalam Gambar 5. Ketika saluran MoS₂ multi-lapisan menerima cahaya, pasangan elektron-lubang dihasilkan secara optik dalam saluran. Lubang yang dihasilkan secara optik terperangkap dalam saluran MoS₂, sehingga menghancurkan netralitas saluran. Kemudian, saluran yang bermuatan positif menarik lebih banyak elektron dari sumber untuk mempertahankan netralitas, dan seberapa banyak elektron yang disuplai dari sumber menentukan gain fotorespons. Saat bias gate yang diterapkan di bawah ambang, ada hambatan besar antara saluran MoS₂ dan sumber seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5a dan arus drain dibatasi oleh difusi di atas hambatan. Seiring meningkatnya bias drain yang diterapkan (Gambar 5b), hambatan menurun karena lentur saluran MoS₂, sehingga memfasilitasi pasokan elektron untuk netralitas saluran. Oleh karena itu, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4b, fotoresponsivitas meningkat secara eksponensial untuk bias drain. Saat bias gate yang diterapkan di atas ambang, hambatan antara MoS₂ dan sumber cukup rendah (Gambar 5c), arus drain dibatasi oleh drift pemakai muatan dalam saluran. Oleh karena itu, kecepatan drift pemakai muatan adalah faktor utama dalam variasi fotoresponsivitas. Dalam regime ini, seiring meningkatnya bias drain yang diterapkan (Gambar 5d), kecepatan pemakai muatan dan fotoresponsivitas meningkat secara linier dan terpuas pada bias drain tertentu (~10 V) seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4d.

Diagram energi band fototransistor multi-lapisan MoS₂ di bawah penerangan pada bias drain rendah dalam keadaan OFF (V _GS < V _th) (a) dan bias drain tinggi dalam keadaan OFF (b). Bias drain rendah dalam keadaan ON (V _GS > V _th) (c) dan bias drain tinggi dalam keadaan ON (d)

Kesimpulan

Kami telah memproduksi fototransistor berbasis multi-lapisan MoS₂ dan menyelidiki secara detail fotoresponsivitas yang dikontrol bias (drain atau gate) nya. Perubahan fotoresponsivitas sesuai bias dapat diklasifikasikan menjadi dua kasus: saat bias gate lebih kecil dari tegangan ambang (keadaan OFF) dan saat bias gate lebih besar dari tegangan ambang (keadaan ON). Saat bias gate lebih kecil dari tegangan ambang, sejumlah kecil elektron menyebar ke dalam saluran, karena hambatan besar antara MoS₂ dan elektroda sumber. Seiring meningkatnya bias gate atau drain, tinggi hambatan menurun dan jumlah elektron yang disuntikkan ke dalam saluran untuk netralitas meningkat. Akibatnya, fotoresponsivitas meningkat secara eksponensial. Di sisi lain, saat bias gate lebih besar dari tegangan ambang, fotoresponsivitas dipengaruhi oleh kecepatan pemakai muatan daripada tinggi hambatan karena arus dibatasi oleh kecepatan drift pemakai muatan. Seiring meningkatnya bias drain, kecepatan pemakai muatan meningkat secara linier dan terpuas. Oleh karena itu, fotoresponsivitas meningkat secara linier dan terpuas. Kami dapat memahami variasi responsivitas dalam fototransistor berbasis multi-lapisan MoS₂ sesuai bias gate atau drain. Dengan demikian, gain dapat dikontrol untuk meningkatkan rentang aplikasi fototransistor MoS₂ dan untuk beroperasi secara optimal, tergantung pada tujuan dan lingkungan.