[논문 리뷰] High Photoresponsivity and Short Photo Response Times in Few-Layered WSe$_2$ Transistors

Nihar Pradhan, Jonathan Ludwig외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 19.

2D Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 단순한 Ti/Au 접촉을 가진 소수층 WSe₂ 필드효과 트랜지스터가 백색광 하에서 최대 7 A/W, 532 nm에서 약 100 mA/W에 이르는 뛰어난 광응답도를 달성하고 초고속 반응 시간(~10 µs)을 보이며, 더 복잡한 이종구조보다 뛰어난 성능을 보임을 보여준다. 높은 성능은 삼중층 WSe₂에서 최적화된 실리콘 기판 상호작용과 캐리어 이동도로 인해 발생하며, 전기적 접촉이 비대칭 광전류 생성에 핵심적인 역할을 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기계적 에크스포지션을 통해 제작한 삼중층 WSe₂ 필드효과 트랜지스터의 광전도 특성을 SiO₂/Si 기판 상에서 연구하기 위해.
• 장치 구조, 접촉 구성, 층 두께가 광응답도와 반응 시간에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 광응답도, 양자 효율, 반응 속도 측면에서 WSe₂ FET의 성능을 더 복잡한 이종구조와 비교하기 위해.
• 전기적 접촉과 밴드 굽힘의 역할이 비대칭 광전류 응답을 어떻게 형성하는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 기계적 에크스포지션을 통해 확보한 삼원자층 WSe₂ 결정을 SiO₂/Si 기판에 전사하여 백게이트 FET를 제작하였다.
• 일관된 쇼트키 장벽 형성을 확보하기 위해 소스 및 드레인 접촉으로 Ti/Au 전극을 사용하였다.
• 백색광 조명(P < 10² W/m²)과 단색 레이저 조사(λ = 532 nm 및 408 nm) 조건 하에서 광응답을 측정하였다.
• 측정된 광전류와 입사광력에서 유도된 광응답도 R = Iph/P 및 외부 양자 효율(EQE)을 계산하였다.
• 층 두께와 장치 기하구조를 확인하기 위해 원자력 현미경(AFM) 및 현미경 영상 분석을 수행하였다.
• 접촉에 따른 광전류 비대칭성을 연구하기 위해 레이저 스포트의 위치를 접촉에 대해 체계적으로 변화시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡한 이종구조 공정 없이도 단순한 소수층 WSe₂ FET에서 도달 가능한 최대 광응답도는 얼마인가?
• RQ2 삼중층 WSe₂ FET에서 광응답 시간 상수는 어떻게 되며, 어떤 요소들이 이를 제한하거나 향상시키는가?
• RQ3 왜 광전류가 도전-소스 전압의 부호에 따라 강하게 비대칭적인가?
• RQ4 레이저 스포트의 위치가 접촉에 비해 어떻게 변할 경우 측정된 광전류에 영향을 미치는가?
• RQ5 접촉 근처의 쇼트키 장벽과 국소적 밴드 굽힘이 광전류 생성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 삼중층 WSe₂ FET는 입사 전력 밀도가 100 W/m² 이하인 백색광 조명 조건에서 최대 광응답도 7 A/W를 나타낸다.
• 532 nm 레이저 조사 조건에서는 광응답도가 약 100 mA/W에 도달하며, 실온에서 외부 양자 효율은 최대 약 40%에 이른다.
• 광응답 시간은 약 10 마이크로초 수준이며, 이는 초고속 캐리어 역학을 나타낸다.
• 광응답도는 도전-소스 전압의 부호에 따라 매우 비대칭적이며, 양의 Vds 조건에서 레이저 스포트가 드레인 접촉 근처에 위치할 경우 더 큰 광전류가 관찰된다.
• 이 비대칭성은 접촉 근처의 국소적 밴드 굽힘과 강한 전기장으로 인해 발생하며, 이는 빛이 접촉 영역 근처에서 조사될 경우 캐리어 추출이 향상되기 때문이다.
• 짧은 파장(408 nm) 조건에서는 광응답도가 약 20 mA/W로 감소하고, EQE는 약 6%로 떨어지며, 이는 흡수 효율 감소 또는 재결합 증가로 인한 효율 저하를 나타낸다.