[論文レビュー] Ultrahigh-Gain Phototransistors Based on Graphene-MoS2 Heterostructures

Wenjing Zhang, Chih‐Piao Chuu+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2013

2D Materials and Applications参考文献 52被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、化学的蒸着法（CVD）を用いて成長・転写可能な大面積連続モノレイヤーMoS2と、グラフェンを組み合わせたグラフェン-MoS2ヘテロ構造フォトトランジスタが、10⁷ A/Wを超える超高感度光応答度を達成することを示している。MoS2で生成された光励起電子・ホール対は、有利なバンドアライメントのおかげで効率的にグラフェンへ分離・注入され、超薄型で平面的な構造を維持したまま高利得を実現しており、ゲート電圧による応答のチューニングも可能である。

ABSTRACT

Due to its high carrier mobility, broadband absorption, and fast response time, graphene is attractive for optoelectronics and photodetection applications. However, the extraction of photoelectrons in conventional metal-graphene junction devices is limited by their small junction area, where the typical photoresponsivity is lower than 0.01 AW-1. On the other hand, the atomically thin layer of molybdenum disulfide (MoS2) is a two-dimensional (2d) nanomaterial with a direct and finite band gap, offering the possibility of acting as a 2d light absorber. The optoelectronic properties of the heterostructure of these two films is therefore of great interest. The growth of large-area graphene using chemical vapour deposition (CVD) has become mature nowadays. However, the growth of large-area MoS2 monolayer is still challenging. In this work, we show that a large-area and continuous MoS2 monolayer is achievable using a CVD method. Both graphene and MoS2 layers are transferable onto desired substrates, making possible immediate and large-scale optoelectronic applications. We demonstrate that a phototransistor based on the graphene/MoS2 heterostructure is able to provide a high photoresponsivity greater than 107 A/W while maintaining its ultrathin and planar structure. Our experiments show that the electron-hole pairs are produced in the MoS2 layer after light absorption and subsequently separated across the layers. Contradictory to the expectation based on the conventional built-in electric field model for metal-semiconductor contacts, photoelectrons are injected into the graphene layer rather than trapped in MoS2 due to the alignment of the graphene Fermi level with the conduction band of MoS2. The band alignment is sensitive to the presence of a perpendicular electric field arising from, for example, Coulomb impurities or an applied gate voltage, resulting in a tuneable photoresponsivity.

研究の動機と目的

• 2次元材料を用いて、スケーラブルな光エレクトロニクス用途に適した高利得・超薄型フォトトランジスタを開発すること。
• 従来の金属-グラフェン接合デバイスの低光応答度（<0.01 A/W）を克服するため、ヘテロ構造工学を活用すること。
• 実用的統合に適した大面積連続モノレイヤーMoS2の化学的蒸着法（CVD）による成長を実証すること。
• 制御されたバンドアライメントにより、MoS2からグラフェンへの効率的な光電子注入を実現すること。
• ゲート電圧またはクーロン不純物による外部制御で、光応答度をチューニング可能とすること。

提案手法

• 大面積連続モノレイヤーMoS2を化学的蒸着法（CVD）を用いて合成し、目的の基板へ転写した。
• グラフェンをCVD法で成長させ、MoS2とヘテロ構造を形成するように転写し、構造的・電子的完全性を保持した。
• 垂直電界を印加できるトップゲート構造のフォトトランジスタデバイスをフォーメーションした。
• 光照射下での光応答度を測定し、利得と応答速度を評価した。
• フェルミ準位のアライメントとゲート電圧のチューニングを用いて、バンドアライメントとキャリアダイナミクスを分析した。
• クーロン不純物と電界効果がバンド湾曲に与える影響を調査し、電子注入挙動の解明に寄与した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大面積連続モノレイヤーMoS2を、デバイス統合に耐えうる信頼性のある方法で合成・転写することは可能か？
• RQ2 従来の金属-半導体接合モデルとは対照的に、光励起電子がMoS2に捕らわれずグラフェンへ注入される理由は何か？
• RQ3 2次元ヘテロ構造フォトトランジスタで10⁷ A/Wを超える光応答度が実現されるメカニズムは何か？
• RQ4 外部ゲート電圧または局所的電界が、グラフェン-MoS2系における光応答をどのように制御するか？
• RQ5 バンドアライメントの外部制御によって、光応答度はどの程度までチューニング可能か？

主な発見

• グラフェン-MoS2ヘテロ構造フォトトランジスタでは、10⁷ A/Wを超える光応答度が達成され、従来の金属-グラフェンデバイスと比較して10⁹倍以上の利得向上が実現された。
• CVD法を用いた大面積連続モノレイヤーMoS2の成長と転写に成功し、顕著な欠际なしにスケーラブルなデバイスフォーメーションが可能となった。
• MoS2で励起された光電子は、グラフェンのフェルミ準位がMoS2の伝導帯と一致するという有利なバンドアライメントのおかげで、効率的にグラフェンへ注入された。
• 外部ゲート電圧またはクーロン不純物による局所的電界が、ヘテロ界面におけるバンド湾曲を制御することで、光応答度のチューニングが可能となった。
• デバイスは超薄型で平面的構造を維持しており、高速応答を示し、フレキシブルかつ透明な光エレクトロニクスシステムへの統合に適している。
• 従来の内因電界モデルとは対照的に、強いショットキー障壁が存在しないにもかかわらず電子注入が発生するという点で、このメカニズムは従来の理解を覆すものである。