[논문 리뷰] Photovoltaic effect in gated MoS2 Schottky junctions

Márcio Fontana, Tristan Deppe외 5명|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 26.

2D Materials and Applications인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 다양한 금속 접촉(Au 및 Pd)을 통해 일함수를 공학함으로써 MoS2 슈트키 접합에서 게이트 조절 가능한 광발전 효과를 입증한다. 비대칭 양극성 거동과 강한 광발전 반응은 슈트키 접합에서의 내재 전위에 기인하며, 이는 저전력, 고감도 광검출기 잠재력을 지닌 조절 가능한, 접촉 기반의 옵티오일렉트로닉 장치를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다층 MoS2 트랜지스터에서 접촉 일함수의 캐리어 극성에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• MoS2에서 신뢰할 수 있는 p형 운반체 운반을 달성하는 데 도전하는 데서 비롯된 내재 도핑과 접촉 장벽으로 인해 여전히 어려운 문제를 해결하기 위해.
• 비대칭 접촉 공학 및 게이트 조절을 통해 MoS2 슈트키 접합에서 광발전 효과를 입증하기 위해.
• 슈트키 접합에서의 내재 전위에 기반한 광발전 효과의 메커니즘을 설정하기 위해.

제안 방법

• 작업 함수를 조절하기 위해 소스/드레인 접촉으로 Au 또는 Pd를 사용한 다층 MoS2 필드효과 트랜지스터의 제작.
• 채널 내의 페르미 수준을 조절하고 캐리어 유형(n형 또는 p형)을 제어하기 위해 백게이트 구성을 사용.
• 게이트 전압을 다양하게 하여 전류-전압 특성을 측정하여 양극성 운반 및 다이오드 유사 거동을 관찰.
• 게이트 전압을 변화시키면서 장치에 조명을 비추어 광발전 반응을 정량화하고 접합 전위와 연관.
• 내재 전기장에 의해 발생하는 슈트키 접합에서의 공간 전하 축적에 기인한 광발전 효과 분석.
• Au 전용, Pd 전용, 그리고 비대칭 Au/Pd 접촉을 사용한 장치의 행동을 비교하여 접촉 일함수의 역할을 분리.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Au와 Pd 중 어떤 금속 접촉을 선택하느냐가 MoS2 트랜지스터에서 전하 운반의 극성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비대칭 접촉을 가진 MoS2 장치에서 게이트 전압 조절이 n형에서 p형 행동으로의 전이를 유도할 수 있는가?
• RQ3 관측된 MoS2 슈트키 접합에서의 광발전 효과의 근원은 무엇인가?
• RQ4 슈트키 접합에서의 내재 전위가 광발전 반응에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 비대칭 MoS2 접합에서 외부 게이트 전압에 의해 광발전 효과가 얼마나 조절될 수 있는가?

주요 결과

• Au 접촉을 가진 MoS2 트랜지스터는 Au의 낮은 일함수로 인해 유리한 전자 주입으로 인해 n형 거동을 보인다.
• Pd 접촉 장치는 p형 운반체 운반을 나타내며, 이는 Pd의 높은 일함수로 인한 효과적인 정공 주입을 의미한다.
• 하나의 Au와 하나의 Pd 접촉을 가진 장치는 넓은 게이트 전압 범위에서 비대칭 양극성 거동과 정류 다이오드 특성을 보인다.
• 조명 조건에서 상당한 광발전 효과가 관측되며, 이는 슈트키 접합에서의 내재 전위에 기인한다.
• 광발전 반응은 게이트 전압에 의해 조절 가능하며, 내부 전기장이 전하 분리에 기여한다는 것을 확인한다.
• 일함수 공학이 적용된 슈트키 접합은 2차원 반도체에서 캐리어 극성 제어 및 옵티오일렉트로닉 반응 향상에 실현 가능한 길을 제공한다.