Nano Res.│深圳大学韩成/时玉萌团队:高效能带调控的III型范德华异质结及其隧穿光电器件 |
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Nano Res.│深圳大学韩成/时玉萌团队:高效能带调控的III型范德华异质结及其隧穿光电器件
本篇文章版权为韩成/时玉萌团队所有,未经授权禁止转载。 背景介绍 为了获得高的优越性能,半导体器件的尺寸随着制造工艺的快速发展而逐渐减小,而二维(2D)半导体及其范德华力异质结(vdWHs)很好的满足了这种要求,从而可以突破后摩尔时代的技术瓶颈。层间较弱的范德华力可以使得2D材料按比例缩小到原子级薄层,垂直堆叠成异质结构而不用担心晶格错配的问题。缺乏表面悬空键的2D材料具有在异质界面最小捕获态的锋利的带边缘,这使得2DvdWHs可以应用于光电晶体管、p-n二极管、存储器件、光电探测器和光伏电池等领域。二维半导体具有宽的带隙和电子亲和力,他们的异质结构可以组成三种不同能带排列:跨界(I型),交错(II型)和缺口(III型)。I,II型广泛用于发光和光伏器件,III型vdWHs是以两个半导体材料之间的非重叠带偏移为特征的,这促进了载流子从一个能带到另一个能带的量子隧穿。这种带间隧穿(BTBT)使III型vdWHs非常适合具有高速运行和低功耗的TFET或Esaki二极管等隧穿器件。vdWHs的载流子运输(例如,隧穿或热离子发射)原则上不仅取决于界面间的带隙偏移,还有界面的带隙弯曲,这是由两个半导体材料之间的费米能级差决定的。为了实现在固定材料选择的异质结中各种传输特性或器件功能,非常需要调控二维半导体材料的费米面或能带结构。由此,一些调控方法,包括厚度调控、化学掺杂和静电门控被用来调控II-,III-型的vdWHs。其中,厚度调控适用于具有对厚度敏感的二维材料,例如黑磷(BP),然而对于传统的机械剥离法来制备BP时无法精准的控制厚度。此外,通过化学气相沉积的替代掺杂工艺来获得不同的隧穿性能也有报道。然而,这种掺杂过程涉及复杂化学环境,可能会引入一些不需要的杂质或者导致异质界面处的缺陷。静电调控被认为是一种可靠且高效的方法来调控2D vdWHs带隙结构。Roy等人报告了双栅极调控二硒化钨/二硫化钼异质结(WSe2/MoS2)来获得不同的隧穿二极管和低温下的负差分电阻(NDR)。然而这个双栅极结构需要复杂的制造过程,器件也受到所选II型结构带隙偏移的限制。最近,已经有几种III型vdWHs的不同组合构建2D器件, 如BP、碲化钼(MoTe2)、WSe2和锡二硒化物(SnSe2),然而,这些报告中的大多数都使用了传统的SiO2或高k值的金属氧化物作为栅极电介质,这会引起界面捕获态或应变,从而限制隧穿异质结的效率。WSe2/SnSe2异质结通过界面调控来提高性能的器件也有报道,但是不同的二极管性能和光电应用并没有提到。在我们的工作中,展示了一个以六方氮化硼(h-BN)和石墨烯作为电介质和底栅的二维III型MoTe2/SnSe2异质结。原子级平坦的惰性h-BN表面可以显著抑制在界面发生的散射和应变。一系列的低栅极电压(例如±1V)下的隧穿二极管,包括正向整流二极管,齐纳二极管,反向整流二极管,和江崎二极管得以实现。此外,该异质结具有优异的性能(>105的高光电流开/关比和在885nm激光下1.03×1012Jones的检测率),可以作为自供电红外光电探测器。此异质结的开路电压(Voc)可以在负栅极电压下从正向转到负向,揭示了从累积模式切换到耗尽模式的性能。研究方法 2.1 样品和器件的制备首先使用机械剥离法获得几层石墨烯片,然后转移到p掺杂的300nmSiO2/Si晶片上。之后h-BN纳米片通过粘在载玻片上的聚二甲基硅氧烷(PDMS)分离,通过配有金相显微镜的转移台转移到刚才的石墨烯片上。同样的,MoTe2和SnSe2薄片剥离后依次堆叠到h-BN的上面以制成SnSe2/MoTe2/h-BN/石墨烯异质结。在高分辨率光学显微镜下定位异质结,之后把聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光刻胶小心地旋涂到异质结上(速率为2,000 rpm)。利用电子束光刻(EBL)技术在MoTe2和SnSe2薄片上刻出源极和漏极。使用电子束蒸发系统将10/50nm的Pd/Au金属触点沉积到异质结上,然后是在丙酮和异丙醇中将多余的金属去掉。2.2材料表征和器件测量 原子力显微镜(AFM)(BRUKERMultiMode8)获取样本的形态结构。拉曼光谱在WitecAlpha300仪器中测量,其中532nm激光作为激发源。电学和光电测量(包括温度相关测量)通过使用探针台(METATEST ScanPro Advance)和配置有Keithley-2636B源测量单元参数分析器获得,其中885nm激光(超连续白色激光,NKT Photonics FIU-15)配有光学斩波器。光强度由光功率计(Hopoo,OHSP-350Z)获得。瞬态光响应通过DMM751071采取。光电探测器的噪声测试由锁相放大器 (Stanford Research Systems, SR830) 测量,其中栅极电压为−1 V。成果简介 通过单个栅极的静电调控和光调控,我们获得一个典型的以h-BN作为电介质的III型MoTe2/SnSe2异质结。可以在同一个MoTe2/SnSe2器件上实现不同的整流二极管特性,包括正向整流二极管,齐纳二极管和反向整流二极管,其中的栅极电压仅为±1 V。在室温下清晰地观察到NDR行为(偏压约为0.35V,峰值电流密度约为10 mA·mm-2)。在885nm激光照射下,MoTe2/SnSe2自供电的光电探测器被发现,它呈现出超过105的光电流开/关比和具有1.03×1012Jones的高检测率。此外,此近红外器件的Voc在负的栅极电压下可以从正向切换到负向,由此揭示了对MoTe2/SnSe2异质结带隙的有效调控。总之,我们提供了一种简单有效的调控III性vdWHs带隙的方法,将会在低功率电学器件和光电器件中发挥重要作用。图文导读 ![]() |
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