[論文レビュー] Broadband optical-fiber-compatible photodetector based on a graphene-MoS2-WS2 heterostructure with a synergetic photo-generating mechanism

Yifeng Xiong, Jinhui Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2018

2D Materials and Applications参考文献 33被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、機械的転写を用いてファイバーエンドフェースに統合されたグラフェン-MoS2-WS2 ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造に基づく、広帯域でゲーティング不要な全ファイバー型フォトダイオード（FPD）を提案する。このデバイスは、型IIバンド配置と写真伝導および写真熱電効果の協同的写真生成メカニズムにより、400 nmで6.6×10⁷ A/Wの超高写真感受性を達成し、1550 nmまでの赤外光を検出可能で、17.1 A/Wの感受性を示す。

ABSTRACT

Integrating two-dimensional (2D) crystals into optical fibers can grant them optoelectronic properties and extend their range of applications. However, our ability to produce complicated structures is limited by the challenges of chemical vapor deposition (CVD) manufacturing. Here, we successfully demonstrate a 2D-material heterostructure created on a fiber endface by integrating a microscale multilayer graphene-MoS2-WS2 van der Waals (vdW) heterostructure film on it. Hence, based on simple layer-by-layer transferring, a visible-to-infrared gating-free all-in-fiber photodetector (FPD) is produced. Our FPD exhibits an ultrahigh photoresponsivity of 6.6X107 A/W and a relatively fast response speed of 7 ms at 400 nm light wavelength, due to the strong light absorption and the built-in electric field of the heterostructure. Moreover, owning to the type-II staggered band alignments in the MoS2-WS2 heterostructure, the interlayer optical transition between the MoS2 and WS2 layers enable our FPD to sense the infrared light power, displaying a photoresponsivity of 17.1 A/W at 1550 nm. In addition, an inverse photoresponse is observed under an illuminating power higher than 1 mW at 1550 nm, indicating a competingphotocurrent generation mechanism, comprising the photoconductive and photo-bolometric effects. These findings offer a new strategy for developing broadband and gating-free photodetectors and other novel optoelectronic devices based on 2D crystals. Furthermore, our fabrication method may provide a new platform for the integration of optical fibers with semiconducting materials.

研究の動機と目的

• 光ファイバーと統合可能な、広帯域でゲーティング不要なフォトダイオードの開発。
• 従来のCVD法では、ファイバー基板上に複雑な2次元ヘテロ構造を形成することが困難であるという制限を克服すること。
• 型IIバンド配置を有するヘテロ構造を用いて、可視光から赤外光にわたり効率的な光吸収を実現すること。
• 2次元材料を直接ファイバーエンドフェースに統合するためのスケーラブルで転写ベースのプロセスを実証すること。

提案手法

• 微小スケールの多層グラフェン-MoS2-WS2 ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造膜を、機械的剥離と層ごとの積層転写によりファイバーエンドフェース上に作製した。
• MoS2 と WS2 間の型IIステッガードバンド配置を活用し、界面間での電荷移動を促進し、赤外光吸収を強化した。
• 外部ゲート電圧を必要とせず、グラフェン接触界面における自己形成電場とショットキー準位の形成に依存して動作した。
• 400–1550 nmの波長範囲で、光強度と波長を変化させた条件下で写真電流を測定し、感受性と応答速度を評価した。
• 高光強度（1550 nmで1 mW以上）では逆写真応答が観測され、写真伝導効果と写真熱電効果の競合が原因であるとされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元ヘテロ構造を光ファイバーのエンドフェースに効果的に統合し、機能的な全ファイバー型フォトダイオードを実現できるか？
• RQ2 MoS2-WS2 ヘテロ構造における型IIバンド配置が、広帯域赤外応答をどのように実現するか？
• RQ3 自己形成電場と界面遷移が、可視光および赤外光スペクトル全域での写真感受性を向上させる役割を果たすか？
• RQ4 高光強度下で競合する写真電流メカニズム（写真伝導効果対写真熱電効果）が、デバイス応答に与える影響は何か？

主な発見

• ヘテロ構造内での強い光吸収と効率的な電荷分離のおかげで、400 nmで6.6×10⁷ A/Wという超高写真感受性を達成した。
• 1550 nmでは17.1 A/Wの写真感受性を示し、MoS2-WS2 ヘテロ構造内の界面間光学遷移によって効果的な赤外光検出が可能であることを裏付けた。
• 400 nmで7 msの高速応答速度を示し、ヘテロ構造内でのキャリア抽出と輸送が効率的に行われていることを示した。
• 1550 nmで1 mWを超える光強度では逆写真応答が観測され、写真伝導効果から写真熱電効果への優位性の転換が示された。
• このプロセスにより、CVDフリーでスケーラブルに複雑な2次元ヘテロ構造をファイバー基板上に統合可能であり、ファイバー統合型オプトエレクトロニクスの新たな道筋を提供した。