具有2D/2D欧姆接触器的高性能WSe2光电晶体管外文翻译资料

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具有2D/2D欧姆接触器的高性能WSe₂光电晶体管

Tianjiao Wang,^dagger;Kraig Andrews,^Dagger;Arthur Bowman,^Dagger;Tu Hong,^dagger;Michael Koehler,^sect;Jiaqiang Yan,^sect;,∥David Mandrus,^sect;,∥Zhixian Zhou,^*,Dagger;and Ya-Qiong Xu^{*,dagger;,perp;}

dagger;Department of Electrical Engineering and Computer Science, Vanderbilt University, Nashville, Tennessee 37235, United States

Dagger;Department of Physics and Astronomy, Wayne State University, Detroit, Michigan 48201, United States

sect;Department of Materials Science and Engineering, the University of Tennessee, Knoxville, Tennessee 37996, United States

∥Materials Science and Technology Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37831, United States

perp;Department of Physics and Astronomy, Vanderbilt University, Nashville, Tennessee 37235, United States

摘要：我们报告了在简并p掺杂的WSe₂和未掺杂的WSe₂通道之间形成的二维(2D)接触的高性能WSe₂光晶体管。~600mA/W的光响应率，外部量子效率高达100%，且快速响应时间（上升和衰减时间）小于8mu;s。更重要的是，我们的WSe₂光晶体管在真空中表现出较高的比探测率(~1013Jones)，与商用的基于Si和InGaAs的光电探测器相当或更高。进一步的研究表明，我们的WSe₂光晶体管的高响应时间主要是由于缺乏肖特基势垒简并掺杂WSe₂源/漏接触和未掺杂WSe₂通道，这可以减少光电探测器的RC时间常数和载流子过境时间。我们的实验结果提供了一种可实用的策略来实现高性能的WSe₂光电晶体管结构，通过改善它们的电传输和光电流的产生，为未来的二维光电器件的工程开辟了新的途径。

关键词：光电流，TMDs，WSe₂，光电探测器，欧姆触点

二维(2D)过渡金属二卤代化合物(TMDs)因其较强的光物质相互作用和优异的灵活性而被广泛应用于光检测。最常见的设备结构的2DTMD光电探测器由金属minus;半导体minus;金属(MSM)横向结构，源极和漏极连接TMD通道，和门电极隔离通道薄介质薄膜控制TMD的电行为。在这种光电晶体管结构中，TMD的中等大的带隙允许有效的场效应调制；因此，超低暗电流可以通过完全耗尽薄TMD通道来实现。光晶体管的性能取决于通道材料的光学特性和设备的电行为，前者决定了光谱覆盖和光晶体管的量子效率，而后者控制着电荷密度、暗电流以及照明下电荷分离和收集的效率。众所周知，基于TMD的光电晶体管的光电流响应主要是由于二维材料与金属接触之间的肖特基势垒附近的内置电场驱动的光激发电子minus;空穴对(EHPs) 的分离。由于TMD通道和金属接触之间的肖特基势垒对基于MSM结构的传统光电探测器起着重要作用，人们一直努力设计TMD/金属接触，以提高光响应率和减少响应时间。最近的一项研究报道，通过减少WSe₂通道与金属接触之间的肖特基势垒，可以增强WSe₂光电晶体管的光响应，但这些光电晶体管在环境空气中表现出非常慢的响应速度(gt;5s)，严重限制了它们作为光电探测器的性能。事实上，设计一种新型的基于2D-TMD的光电晶体管结构仍然是一个主要的挑战，它能同时产生较高的光响应率和较短的响应时间。虽然TMD光电晶体管的光响应对其电触点很敏感，但据我们所知，具有真正欧姆接触的WSe₂光电晶体管还没有被报道过，因为WSe₂倾向于与大多数金属形成一个实质性的肖特基屏障，常用于制造电气收缩，这可以部分归因于费米能级。

本文报道了一种制备高性能WSe₂基光电晶体管的新方法，利用简并掺杂的2DTMDs作为漏极/源极接触，2DWSe₂没有有意掺杂作为通道形成2D/2D欧姆接触。随后制作了金属互连器来连接简并p掺杂的WSe₂漏极/源极触点，用于电流和光电流测量。由于简并p掺杂的WSe₂是通道材料的高导电性版本，因此它与WSe₂通道和金属互连器都形成低电阻接触。结果表明，当入射光子能量为~1.68eV时，以WSe₂或MoS₂作为漏极/源极接触的光电晶体管实现了最大的光响应，代表光电流的产生依赖于未掺杂WSe₂通道的直接带隙吸收。为~600mA/W，外部量子效率高达100%，响应时间（上升和衰减时间）均小于8mu;s。更重要的是，我们的WSe₂光晶体管在真空中表现出较高的比探测率(~1013Jones)，与商用的基于Si和InGaAs的光电探测器相当或更高。我们将WSe₂光晶体管的高光响应率和短响应时间归因于退化p掺杂WSe₂源极/漏极接触与未掺杂WSe₂通道之间的二维范德华接触，可以提高光激发EHPs的收集，提高光电流产生效率。这些基础研究不仅揭示了二维材料中光电流的产生机制，而且通过提高基于二维材料的光电探测器的电传输和光电流的同时产生，为提高光响应率和降低基于二维材料的光电探测器的光响应率的响应时间提供了一种新的方法，通过接触工程为高性能二维光电子技术打开了一扇门。

图1.(a)典型WSe₂光电晶体管布局示意图。(b)该设备的光学显微照片。S和D分别表示源极和漏极触点。金虚线标记了金属电极的位置。蓝色虚线勾勒出hBN薄膜。粉色和绿色的虚线分别代表Nb掺杂的WSe₂接触点和未掺杂的WSe₂通道的轮廓。(c)设备的栅极相关传输特性，插图：分别为80K和室温下迁移率计算的线性区域。(d)I_dsminus;V_ds在80k下不同后门电压下的特性。

结果与讨论。图1a显示了一个WSe₂光电晶体管的示意图，其中一个未掺杂的2DWSe₂通道与两个简并的p掺杂的WSe₂(Nb_0.005W_0.995Se₂)薄膜作为漏极和源极接触，并与金属电极相连。为了提供具有最小的悬垂键和电荷阱的光滑衬底，在WSe₂光晶体管和覆盖280nm厚的热二氧化硅衬底之间放置了一个薄薄的hBN薄片。WSe₂和hBN薄片都被机械地从其体晶体中剥离。通过原子力显微镜(AFM)鉴定，hBN的裂解薄片厚度为10minus;30nm，未掺杂的WSe₂的厚度为3minus;10nm。采用干转移法，将两个简并p掺杂的WSe₂薄片人工堆叠在一个未掺杂的WSe₂薄片上，形成2D/2D接触。然后通过标准电子束光刻和随后沉积5/50nmTi/Au，在简并p掺杂的WSe₂漏极/源极然后通过标准电子束光刻和随后沉积5/50nmTi/Au，在简并p掺杂的WSe₂漏极/源接触区域上制备金属电极。接触区域上制备金属电极。图1b显示了一个具有8.3nm厚的WSe₂通道的典型器件的光学图像，其中所有的TMD薄片和Au电极都用彩色虚线勾画出来。通过一个由280nm的二氧化硅和一个30nm厚的hBN薄片组成的电介质堆栈，将后门偏差应用于WSe₂通道。在高真空(~10^minus;6Torr)条件下，研究了该器件的电学和光电子特性。图1c显示了该设备的传输特性。p型行为观察场效应孔迁移率从在室温下~150cm²V^minus;1s^minus;1，增加到80k下~300cm²V^minus;1s^minus;1计算的线性区域(图1c)的转移曲线使用表达式。这里，L、W和sigma;为通道的长度、宽度和电导，C_bg是280nm厚SiO₂与30nm厚hBN片串联的背栅电容。正如我们之前的报告中所示，2D/2D接触允许较低的接触电阻，由于隧道效应通过一个非常狭窄的(~1nm)耗尽区域，简并的p掺杂WSe₂/金属接触也显示出可以忽略的接触电阻。图1d显示了在80k下施加不同的后门电压时，具有2D/2D触点的WSe₂光电晶体管的线性输出特性，表明了器件的欧姆行为。为了了解重p掺杂TMD触点在具有二维/二维触点的WSe₂器件优越的电子和光电性能中的关键作用，我们还在具有Ti/Au触点的hBN基板上制备了少层WSe₂晶体管。具有Ti/Au触点的少层WSe₂晶体管的输出特性是非线性的和不对称的，这可以归因于在触点处存在肖特基势垒。

图2.(a)器件的扫描光电流图像(在S和D之间测量)和(b)在Vbg=0V的零源漏偏置下光电流信号的归一化波长依赖性(c)少层WSe₂中直接和间接带隙的说明。

为了研究具有2D/2D接触的WSe₂光晶体管的光响应，我们在80K下JanisST-500显微镜低温恒温器中对该器件进行了空间分辨扫描光电流测量。在这里，连续波激光束(NKT光子学超k超连续激光)被40times;奥林巴斯物镜(NA=0.6)扩展和聚焦到衍射有限斑(~1mu;m)，并通过纳米尺度空间分辨率的压电控制镜在设备上扫描。反射信号和光电流信号都作为位置的函数被收集起来。通过将反射图像与器件的光学图像相关联，精确定位了光电流信号(I_pc=I_laserminus;I_dark)的位置，如图2a所示。在未掺杂WSe₂通道和简并掺杂WSe₂接触之间的2D/2D界面上检测到显著的光电流信号，内置电场可以将光激发的EPHs分离到相反的方向，并通过光电效应诱导光电流信号。另一方面，由于在这些界面上几乎没有一个耗尽区，因此在简并掺杂的WSe₂/金属结处的光电流信号可以忽略不计。进一步进行了波长相关的光电流测量，以阐述了在2D/2D接触处的光电流产生机制。如图2b所

示，当入射光子能量为~1.68eV时，观察到退化p掺杂WSe₂漏/源接触的WSe₂光晶体管的最大光电流响应，接近报道的少层WSe₂的直接带隙。为了阐明2D/2D触点下的光响应贡献，我们还测试了以简并p掺杂二硫化钼作为漏极/源极触点的WSe₂FETs(见支持信息的图S4)。有趣的是，当激发激光能量接近WSe₂的直接带隙时，它们的最大光响应也发生了，这表明光电流的产生主要是由于未掺杂的WSe₂通道的直接跃迁(图2c)。此外，当入射激光器的波长大于750nm(~1.65eV)时，光响应率显著下降，表明WSe₂中间接跃迁(~1.2eV)的贡献可以忽略不计。

图3.(a)光电流Ipc作为零后门电压和不同光功率强度下(波长lambda;=735nm)源-漏偏置电压Vds的函数。(b)在Vds=1V下的功率依赖性。(c)光电流Ipc作为后门电压从0到15V的源-漏偏置电压Vds的函数。采用735nm激光照明，功率强度为8149W/m2。

然后，我们评估了在V_bg=0下的WSe₂光电晶体管的性能，其中器件处于OFF状态，暗电流可以忽略不计(~10^minus;14A)。使用一个大到足以覆盖整个装置的激光光斑(直径~50mu;m)作为照明光源。如图3a所示，在不同激光照明强度下，光电流信号被记录为0V到 1V的源偏置的函数，显示出对V_ds的非线性依赖，这与之前报道的二维光电探测器相似。此外，更高的光响应率被观察到在较大的正漏源偏差因为偏见增强局部带弯曲的2D/2D接触区域，同时消除带弯曲，也产生一个电场通道，从而促进更有效的分离和收集光激发电子。图3b绘制了不同激光照明强度下光电晶体管(V_ds=1V)产生的光电流。在零栅电压下，观察到320mA/W的光响应率(R=I_pc/p，其中p为入射激光器的功率)，这与入射激光器功率无关，如光电流和激光器功率之间的

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