伦敦大学/电子科大/苏大:带隙渐变的自驱动同质结光电晶体管

Spatially Bandgap-Graded MoS2(1−x)Se2x Homojunctions for Self-Powered Visible–Near-Infrared Phototransistors

Hao Xu*, Juntong Zhu, Guifu Zou*, Wei Liu, Xiao Li, Caihong Li, Gyeong Hee Ryu, Wenshuo Xu, Xiaoyu Han, Zhengxiao Guo, Jamie H. Warner, Jiang Wu*, Huiyun Liu
Nano-Micro Lett.(2020)12:26
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0361-2
本文亮点

1 由于单个MoS2(1-x)Se2x纳米片内Se的组分和晶体厚度均在渐变,MoS2(1-x)Se2x的能带带隙实现了从1.83 eV到1.73 eV的连续渐变;

2 该同质结光电晶体管在零偏压时输出了311 mA/W的响应率,1011的探测率,以及104的开关比;

3 在偏压模式下,该同质结光电晶体管表现出191.5 A/W的响应率,1012的探测率,以及106~107的光增益的优异性能。

研究背景

近年来,二维层状的过渡金属硫化物(TMDs)因为可调谐带隙、高载流子迁移率等特点正在受到越来越多的关注,并被应用于探测器、场效应晶体管、激光器等领域。为了进一步提升光电器件性能,研究人员通过生长三元的TMDs实现了原位控制合金组分,例如Mo1-xWxS2,WS2xSe2(1-x),MoS2(1-x)Se2x等,以此获得理想的能带带隙。然而,大部分报道的三元合金具有固定的元素组分,这意味着需要额外的工艺来制备同质结、异质结。因此,如果能够一步到位的生长出组分渐变的三元TMDs,不仅将直接获得了面内同质结,而且该能带结构具有连续可调的特征。
内容简介

具有空间渐变带隙的三元过渡金属硫化物合金因其物理和化学性质的特殊性,为光电子器件制造提供了新思路。在这项工作中,来自伦敦大学学院的徐浩博士、苏州大学的邹贵付教授和电子科技大学的巫江教授报道了基于空间带隙渐变的MoS2(1-x)Se2x同质结的自驱动光电晶体管,实现了对可见光到近红外波段(405 nm ~ 808 nm)的高性能探测。有源区的三元MoS2(1-x)Se2x合金通过简易可控的化学溶液沉积法制备得到,通过连续改变晶体厚度和Se浓度实现了单个纳米片内的能带带隙渐变。以此制造的光电晶体管表现出栅极可控的光伏效应,在自驱动和偏压模式下均能够实现高性能的光探测。这一成果为二维材料的带隙工程及其器件应用提供了简便且切实可行的解决方案。
图文导读

I 三元MoS2(1-x)Se2x合金的制备及其材料表征
采用化学溶液沉积的策略,在SiO2/Si衬底上原位生长厚度和Se浓度渐变的MoS2(1-x)Se2x合金纳米薄片,并自然冷却到室温。通过一系列的材料表征来确定厚度和浓度的变化情况。
图1 (a)纳米片制备流程图;(b)AFM形貌图和高度图(c,d)ADF-STEM图;(e)原子分布示意图;(f)原子灰度图;(g)EDS图。
II 三元MoS2(1-x)Se2x合金的光学属性
为了进一步确定单个纳米片范围内,能带带隙随着厚度和Se元素浓度的变化情况,该工作进行了拉曼和PL测试,并在多个纳米片内重复类似实验,以确保这些现象的可重复性。
图2 (a,g)光学显微镜图;(b,c)拉曼谱线;(d-f)拉曼扫描图;(h, i) PL谱线;(j)PL扫描图。
III 光电晶体管的工作性能
通过EBL和电子束蒸镀技术,该工作制备得到了基于带隙渐变的MoS2(1-x)Se2x合金纳米薄片的光电晶体管,并对其电学性质和光电响应进行了测试,以此来探究内建电场和光伏效应。
图3 (a)器件的3D示意图和光学显微镜图;(b, c)电极的AFM形貌图;(d)电极的高度图;(e-g)器件在光照下的输出曲线;(h, i)开路电压随着栅极电压的变化情况。
IV 光电晶体管的光探测性能
该工作对器件进行了系统的光电响应测试,包括不同波长、不同功率的光源下探索器件的响应率、探测率、响应时间、光增益等属性,并用等效的能带结构阐释了器件工作背后的机理,验证了光电晶体管表现出栅极可控的光伏效应,展示了在自驱动模式下通过渐变同质结实现高性能的光探测。
图4 (a)能带结构示意图(b-e)器件的光电响应。
图5 器件的光电响应特征。
作者简介

徐浩
本文第一作者、通讯作者
伦敦大学学院工程学院
电子科技大学基础与前沿研究院
主要研究领域

低纬度半导体材料的制备及其在微纳电子、光电子与柔性电子领域的应用。

Email: hao.xu.15@uestc.edu.cn

巫江
本文通讯作者
电子科技大学基础与前沿研究院
主要研究领域

化合物半导体光电材料、半导体激光器、光电探测器、传感器。

Email: jiiangwu@uestc.edu.cn

邹贵付
本文通讯作者
苏州大学能源学院
主要研究领域

无机微结构复合薄膜及其光电应用基础研究

Email: zouguifu@suda.edu.cn

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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