[論文レビュー] High Photoresponsivity and Short Photo Response Times in Few-Layered WSe$_2$ Transistors

Nihar Pradhan, Jonathan Ludwig+7 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2015

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、単純なTi/Au接触を用いた少数層WSe₂フィールド効果トランジスタが、白色光下で最大7 A/W、532 nmで約100 mA/Wの非常に高い光感受度を達成し、応答時間も約10 µsと超高速であることを示している。これは、より複雑なヘテロ構造を上回る性能である。高い性能は、三層WSe₂における最適化されたキャリア輸送および基板との相互作用の低減に起因し、電気的接触が非対称な光電流生成において重要な役割を果たしている。

ABSTRACT

Here, we report the photoconducting response of field-effect transistors based on three atomic layers of chemical vapor transport grown WSe$_2$ crystals mechanically exfoliated onto SiO$_2$. We find that tri-layered WSe$_2$ field-effect transistors, built with the simplest possible architecture, can display high hole mobilities ranging from 350 cm$^2$/Vs at room temperature (saturating at a value of ~500 cm$^2$/Vs below 50 K) displaying a strong photocurrent response which leads to exceptionally high photo responsivities up to 7 A/W under white light illumination of the entire channel for power densities p < 10$^2$ W/m$^2$. Under a fixed wavelength of $\\lambda$ = 532 nm and a laser spot size smaller than the conducting channel area we extract photo responsitivities approaching 100 mA/W with concomitantly high external quantum efficiencies up to ~ 40 % at room temperature. These values surpass values recently reported from more complex architectures, such as graphene and transition metal dichalcogenides based heterostructures. Also, tri-layered WSe$_2$ photo-transistors display photo response times in the order of 10 microseconds. Our results indicate that the addition of a few atomic layers considerably decreases the photo response times, probably by minimizing the interaction with the substrates, while maintaining a very high photo-responsivity.

研究の動機と目的

• SiO₂/Si基板上に機械的エキスパンションで得た三原子層WSe₂フィールド効果トランジスタの光伝導応答を調査すること。
• デバイス構造、接触配置、層厚さが光感受度および応答時間に与える影響を特定すること。
• 光感受度、量子効率、応答速度の観点から、WSe₂ FETとより複雑なヘテロ構造との性能を比較すること。
• 電気的接触およびバンドの湾曲が非対称な光電流応答をどのように規定しているかを特定すること。

提案手法

• 機械的エキスパンションで得た三原子層WSe₂結晶をSiO₂/Si基板上に転写し、バックゲート型FETを形成した。
• スキューリングバリアの形成を一貫して確保するため、Ti/Au電極をソースおよびドレイン接触に用いた。
• 白色光照射（P < 10² W/m²）および単色レーザー励起（λ = 532 nmおよび408 nm）の下で光応答を測定した。
• 測定された光電流および入射光パワーから、光感受度 R = Iph/P および外部量子効率（EQE）を計算した。
• 層厚さおよびデバイス形状の確認に、原子間力顕微鏡（AFM）および顕微鏡像を用いた。
• 接触依存性のある光電流非対称性を調査するために、レーザー光スポットを接触部に対して系統的に位置ずらした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑なヘテロ構造のエンジニアリングを施さない単純な少数層WSe₂ FETで達成可能な最大光感受度は何か？
• RQ2 三層WSe₂ FETにおける光応答時間スケールはどの程度であり、何がその遅延または向上を制限または促進するか？
• RQ3 なぜ光電流がドレイン-ソース電圧の符号に対して強く非対称的であるのか？
• RQ4 レーザー光スポットの接触部からの相対的位置が測定光電流にどのように影響するか？
• RQ5 接触部近傍のスキューリングバリアおよび局所的バンド湾曲が、光電流生成に果たす役割は何か？

主な発見

• 三層WSe₂ FETは、100 W/m²未満の光強度下で白色光照射下に最大7 A/Wの光感受度を示した。
• 532 nmレーザー励起時、光感受度は約100 mA/Wに達し、室温で外部量子効率は最大約40%に達した。
• 光応答時間は約10マイクロ秒のオーダーであり、キャリアの超高速ダイナミクスを示している。
• 光感受度はドレイン-ソース電圧の符号に対して顕著に非対称であり、正のVds下でレーザー光スポットをドレイン接触部に近づけると、顕著に大きな光電流が観測された。
• この非対称性は、接触部近傍の局所的バンド湾曲および強い電場に起因し、照射位置が接触部に近いとキャリア抽出が強化される。
• 短波長（408 nm）では、光感受度は約20 mA/Wに低下し、EQEは約6%にまで低下した。これは、吸収率の低下または再結合の増加に起因する効率の低下を示している。