[논문 리뷰] Ultrahigh-Gain Phototransistors Based on Graphene-MoS2 Heterostructures

Wenjing Zhang, Chih‐Piao Chuu외 8명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 05.

2D Materials and Applications참고 문헌 52인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)을 통해 대면적 연속 단일층 MoS2를 성장시키고 이격 가능한 그래핀을 사용하여 초고감도 광검출기 성능을 초월하는 10⁷ A/W 이상의 광응답도를 달성한 그래핀-MoS2 이종구조 광트랜지스터를 보여준다. MoS2에서 광흡수로 생성된 전자-정공 쌍은 유리한 밴드 배열 덕분에 효율적으로 그래핀으로 분리되고 주입되며, 이로 인해 높은 이득을 얻을 수 있다. 이는 초박막 평판 구조를 유지하면서도 게이트 전압 조절을 통해 반응성을 조절할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 2차원 재료를 이용하여 확장 가능한 온세미컨덕터 응용을 위한 고감도, 초박막 광트랜지스터를 개발하기 위해.
• 기존 금속-그래핀 접합 장치의 낮은 광응답도(<0.01 A/W) 문제를 이종구조 공학을 통해 해결하기 위해.
• 실제 통합을 위해 화학기상증착(CVD)을 통해 대면적 연속 단일층 MoS2 성장을 시현하기 위해.
• 제어된 밴드 배열을 통해 MoS2에서 그래핀으로의 광전자 주입을 효율적으로 달성하기 위해.
• 외부 게이트 전압 또는 쿨롱 불순물에 의한 제어를 통해 광응답도를 조절 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 대면적 연속 단일층 MoS2는 화학기상증착(CVD)을 통해 합성되고, 목표 기판에 이송되었다.
• 그래핀은 CVD를 통해 성장되고 MoS2와의 이종구조를 형성하기 위해 이송되었으며, 구조적 및 전자적 완전성이 유지되었다.
• 수직 전기장이 작용하도록 상부 게이트 구조를 갖춘 광트랜지스터 장치를 제작하였다.
• 광학적 조명 조건 하에서 광응답도를 측정하여 이득 및 반응 속도를 평가하였다.
• Fermi 수준 정렬 및 게이트 전압 조절을 통해 밴드 배열과 실시간 운반자 동역학을 분석하였다.
• 쿨롱 불순물과 전기장 효과가 밴드 굽힘에 미치는 영향을 조사하여 전자 주입 거동을 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장치 통합을 위해 신뢰성 있게 대면적 연속 단일층 MoS2를 합성하고 이송할 수 있는가?
• RQ2 기존 금속-반도체 접합 모델과는 달리, 전자들이 MoS2에 갇히지 않고 그래핀으로 주입되는 이유는 무엇인가?
• RQ3 2차원 이종구조 광트랜지스터에서 10⁷ A/W 이상의 광응답도가 가능한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 외부 게이트 전압 또는 국소 전기장이 그래핀-MoS2 시스템에서 광반응에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 밴드 배열의 외부 제어를 통해 광응답도를 얼마나까지 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 그래핀-MoS2 이종구조 광트랜지스터에서 10⁷ A/W 이상의 광응답도를 달성하였으며, 이는 기존 금속-그래핀 장치 대비 10⁹ 배 이상의 이득 향상을 나타낸다.
• 대면적 연속 단일층 MoS2는 CVD를 통해 성공적으로 합성되고, 심각한 결함 없이 이송되어 확장 가능한 장치 제작이 가능해졌다.
• MoS2에서 광흡수로 생성된 전자는 유리한 밴드 배열 덕분에 효율적으로 그래핀으로 주입되며, 이는 그래핀의 Fermi 수준이 MoS2의 도체대와 일치하기 때문이다.
• 외부 게이트 전압 또는 쿨롱 불순물에서 기인한 국소 전기장에 의해 이종계면에서의 밴드 굽힘이 조절되며, 이로 인해 광응답도가 조절 가능하다.
• 장치는 초박막 평판 구조를 유지하면서도 빠른 반응 시간을 보이며, 도시형 및 투명 온세미컨덕터 시스템에의 통합에 적합하다.
• 기존의 내재 전기장 모델과는 다르게, 강한 쇼트키 장벽이 없음에도 불구하고 전자 주입이 발생함을 확인하여 이론적 기대를 뛰어넘는다.