[論文レビュー] Photovoltaic effect in gated MoS2 Schottky junctions

Márcio Fontana, Tristan Deppe+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2012

2D Materials and Applications被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、金（Au）および palladium（Pd）の異なる金属接触を用いた仕事関数の工学的制御により、MoS2のショットキジャンクションにおけるゲート可変の光電効果を実証した。非対称なアンビポーラ的挙動および強い光電効果は、ショットキジャンクションに生じる内部電位差に起因し、制御可能な接触設計に基づく、低消費電力で高感度な光検出器に応用可能な可変式のオプトエレクトロニクス素子の実現を可能にする。

ABSTRACT

Atomically thin MoS2 has recently emerged as a very attractive material for nanoscale optoelectronic devices. While n-type transport in MoS2 devices has been demonstrated, hole conduction has been more challenging. Here we show work-function engineering to be an effective approach for controlling the polarity of MoS2 devices. Gated multi-layer MoS2 transistors with Au source/drain contacts exhibit n-type operation, while those with Pd contacts are shown to have p-type behavior. Devices with one Au and one Pd contact exhibit asymmetric ambipolar behavior and diode characteristics over a wide range of gate voltage, as well as a sizable photovoltaic effect. We argue that the photovoltaic effect arises from the built-in potential of the space charge accumulated at the source and drain contacts.

研究の動機と目的

• 少数層MoS2トランジスタにおける接触仕事関数がキャリア極性に与える影響を調査すること。
• 内在的ドーピングおよび接触障壁のため、依然として困難であるMoS2における信頼性の高いp型輸送を実現する挑戦に取り組むこと。
• 非対称な接触工学とゲートモード制御を用いて、MoS2ショットキジャンクションにおける光電効果を実証すること。
• ショットキジャンクションにおける内部電位に起因する光電効果のメカニズムを確立すること。

提案手法

• ゲート関数を調整できるように、ソース/ドレイン接触としてAuまたはPdを用いた多層MoS2フィールド効果トランジスタの作製。
• チャネル内のフェルミ準位をモニタリングし、キャリア型（n型またはp型）を制御するバックゲート構造の採用。
• ゲート電圧を変化させた状態で電流-電圧特性を測定し、アンビポーラ的輸送およびダイオード的挙動の観察。
• ゲートバイアスを変化させながらデバイスを照射し、光電効果の定量的評価とジャンクション電位との相関を分析。
• 空間電荷の蓄積がショットキジャンクションにおける内部電界に起因し、光電効果が生じることの分析。
• Auのみ、Pdのみ、および非対称なAu/Pd接触を用いたデバイスの比較により、接触仕事関数の役割を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属接触（Au対Pd）の選択が、MoS2トランジスタにおける電荷輸送の極性にどのように影響するか？
• RQ2 非対称接触を有するMoS2デバイスにおいて、ゲート電圧の調整がn型からp型への挙動転移を誘発できるか？
• RQ3 観察されたMoS2ショットキジャンクションにおける光電効果の起源は何か？
• RQ4 ショットキジャンクションにおける内部電位が光電効果にどのように影響するか？
• RQ5 非対称MoS2ジャンクションにおいて、外部ゲート電圧によって光電効果をどの程度制御できるか？

主な発見

• Au接触を有するMoS2トランジスタは、Auの低い仕事関数に起因する良好な電子注入によりn型挙動を示す。
• Pd接触デバイスはp型輸送を示し、Pdの高い仕事関数に起因する効果的なホール注入を示している。
• 片方がAuで他方がPdの接触を有するデバイスは、広いゲート電圧範囲で非対称なアンビポーラ的挙動および整流ダイオード的特性を示す。
• 照射条件下で顕著な光電効果が観察され、光起電圧はショットキジャンクションに生じる内部電位に起因する。
• ゲート電圧による光電効果の可変性が確認され、内部電界による電荷分離の役割が裏付けられた。
• 仕事関数を工学的に制御したショットキジャンクションは、2次元半導体におけるキャリア極性の制御およびオプトエレクトロニクス応答の向上に有効な道筋を提供する。