[論文レビュー] Spatially Resolved Photo-Excited Charge Carrier Dynamics in Phase-Engineered Monolayer MoS2

Hisato Yamaguchi, Jean‐Christophe Blancon+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2014

2D Materials and Applications参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、空間的に解像度の高い走査光起電流顕微鏡法と光励起発光像像法を用いて、相工学的制御が施されたモノレイヤーMoS2における光励起電荷キャリアのダイナミクスを調査した。2H相（半金属的）から1T相（金属的）に相転移させることで、シュットキー準位差が約200 meVから数meVに低下し、光感受度が10倍以上向上した。これにより、オーム的接触に近い特性を持つ、低消費電力で効率的な光エレクトロニクス素子の実現が可能になった。

ABSTRACT

A fundamental understanding of the intrinsic optoelectronic properties of atomically thin transition metal dichalcogenides (TMDs) is crucial for its integration into high performance semiconductor devices. Here, we investigate the transport properties of chemical vapor deposition (CVD) grown monolayer molybdenum disulfide (MoS2) under photo-excitation using correlated scanning photocurrent microscopy and photoluminescence imaging. We examined the effect of local phase transformation underneath the metal electrodes on the generation of photocurrent across the channel length with diffraction-limited spatial resolution. While maximum photocurrent generation occurs at the Schottky contacts of semiconducting (2H-phase) MoS2, after the metallic phase transformation (1T-phase), the photocurrent peak is observed towards the center of the device channel, suggesting a strong reduction of native Schottky barriers. Analysis using the bias and position dependence of the photocurrent indicates that the Schottky barrier heights are few meV for 1T- and ~200 meV for 2H-contacted devices. We also demonstrate that a reduction of native Schottky barriers in a 1T device enhances the photo responsivity by more than one order of magnitude, a crucial parameter in achieving high performance optoelectronic devices. The obtained results pave a pathway for the fundamental understanding of intrinsic optoelectronic properties of atomically thin TMDs where Ohmic contacts are necessary for achieving high efficiency devices with low power consumption.

研究の動機と目的

• 原子層程度の厚さの遷移金属ジ chalcogenides (TMDs) の固有の光エレクトロニクス的性質を理解すること。特にモノレイヤーMoS2に焦点を当てる。
• 2H相から1T相への相工学的制御が、光励起下での電荷キャリアのダイナミクスに与える影響を調査すること。
• MoS2デバイスにおける金属接触部におけるシュットキー準位差の空間的分布とその大きさを特定すること。
• 低減されたシュットキー準位差が、光感受度およびデバイス性能に与える影響を評価すること。
• 2次元TMDベースの光エレクトロニクス素子において、オーム接触に近い接触を実現するための道筋を確立すること。

提案手法

• CVD法で成長させたモノレイヤーMoS2デバイスのチャネルに沿って、回折限界の空間分解能を持つ走査光起電流顕微鏡法を用いて、光起電流の生成をマップした。
• 光励起発光像像法を用いて、局所的な電子状態および相分布と発光特性の相関を評価した。
• 局所的に2H相MoS2を1T相に相転移させる相工学的技術を適用し、異なる電子的性質を示す領域を形成した。
• 位置およびバイアス依存の光起電流測定を解析し、金属接触部におけるシュットキー準位差を抽出した。
• 2H相（半導体的）と1T相（金属的）のMoS2デバイスを比較して、電荷輸送および光応答の差を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤーMoS2の局所的相（2H対1T）は、光起電流により生成された電荷キャリアの空間的分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 2H相および1T相MoS2デバイスにおける金属接触部のシュットキー準位差の大きさはどの程度か？
• RQ3 相工学的制御が、デバイスチャネルに沿った光起電流生成プロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ4 シュットキー準位差を低減させることで、2次元TMDベースのデバイスにおける光感受度はどの程度向上するか？
• RQ5 相工学的制御が施された1T-MoS2は、優れた光エレクトロニクス的性能を実現するための、ほぼオーム的接触行動を示すことができるか？

主な発見

• 1T相MoS2では、2H相MoS2の約200 meVに比べて、接触界面におけるシュットキー準位差が数meVにまで低下しており、注入障壁の顕著な低減が示された。
• 2H相MoS2では光起電流がシュットキー接触領域に集中していたが、1T相MoS2ではチャネル中央に移動しており、シュットキー準位差の抑制が確認された。
• 1T相MoS2デバイスの光感受度は、2H相デバイスと比較して10倍以上向上した。
• 空間的に解像度の高い測定により、1T相への転移が局所的にシュットキー準位差を抑制し、より効率的な電荷抽出を可能にすることが確認された。
• 本研究の結果は、相工学的制御が施された1T-MoS2が、2次元半導体デバイスにおいて低抵抗でオーム的接触に近い接触を実現するための実用的プラットフォームである可能性を示している。