[논문 리뷰] Wafer-scale fabrication of 2D van der Waals heterojunctions for efficient and broadband photodetection

Jian Yuan, Tian Sun외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 13.

2D Materials and Applications참고 문헌 17인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 화학기상증착를 이용해 2" SiO2/Si 기판 상에서 웨이퍼 스케일의 다층 2D PtS2/PtSe2 반데르발스 이종접합 광다이오드를 제작함으로써 532~2200 nm의 광역적 광검출을 구현하였다. 장치는 높은 광응답도(361 mW⁻¹), 외부 양자 효율성 84%, 빠른 반응속도(66 ms)를 보이며, 확장 가능하고 에너지 효율적인 광전자 응용 분야에 기여한다.

ABSTRACT

A variety of fabrication methods for van der Waals heterostructures have been demonstrated; however, their wafer-scale deposition remains a challenge. Here we report few-layer van der Waals PtS2/PtSe2 heterojunction photodiodes fabricated on a 2" SiO2/Si substrate that is only limited by the size of work chamber of the growth equipment, offering throughputs necessary for practical applications. Theoretical simulation results show that the bandgap of PtS2 is shrunk to half of its original size in the PtS2/PtSe2 heterostructures, while PtSe2 exhibits a limited response to the coupling. Both PtSe2 and PtS2 layers in the coupled system are still semiconductors. Dynamic photovoltaic switching in the heterojunctions is observed at zero-volt state under laser illuminations of 532 to 2200 nm wavelengths. The PtS2/PtSe2 photodiodes show excellent characteristics in terms of a high photoresponsivity of 361 mAW-1, an external quantum efficiency (EQE) of 84%, and a fast response speed (66 ms). The wafer-scale production of 2D photodiodes in this work accelerates the possibility of 2D materials for practical applications in the next-generation energy-efficient electronics.

연구 동기 및 목표

• 실용적인 광전자 응용을 위한 웨이퍼 스케일의 2D 반데르발스 이종접합 통합 문제를 해결하기 위해.
• 기존 반도체 공정 인프라와 호환되는 대규모 2D 이종접합을 위한 확장 가능한 제조 방법을 개발하기 위해.
• 소수층 PtS2/PtSe2 이종접합을 이용해 가시광선에서 근적외선 영역까지 광역적이고 효율적인 광검출을 달성하기 위해.
• 밴드 정렬 및 광전기적 반응을 포함한 이종접합의 전자적 및 광전자적 특성을 특성화하기 위해.

제안 방법

• 화학기상증착(CVD)을 이용해 소수층 PtS2 및 PtSe2 단층을 직접 2" SiO2/Si 기판 상에 성장시켰다.
• PtS2를 먼저 CVD로 성장시킨 후 PtSe2를 연속적으로 성장시켜 직접 웨이퍼 스케일 통합이 가능한 이종접합을 형성하였다.
• PtS2/PtSe2 시스템에서의 계면 상호작용에 의한 밴드 구조 변화를 분석하기 위해 이론적 시뮬레이션을 수행하였다.
• 가시광선에서 근적외선 영역(532–2200 nm)까지 레이저 조사 조건에서 광전기적 반응을 평가하기 위해 광학적 및 전기적 특성 분석을 실시하였다.
• 영구 전압 없이도 측정 가능한 주요 성능 지표인 광응답도, 외부 양자 효율성(EQE), 반응 속도를 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 Si 기판 상에서 확장 가능한 CVD 방법을 이용해 웨이퍼 스케일의 2D 반데르발스 이종접합을 제조할 수 있는가?
• RQ2 PtS2/PtSe2 이종접합에서의 계면 상호작용은 밴드 구조 및 전자적 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이종접합은 가시광선에서 근적외선 영역에 걸쳐 광역적 광검출 성능을 어떻게 보이는가?
• RQ4 외부 전압 없이도 고응답도와 빠른 반응 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 영구 전압 없이 작동할 때 PtS2와 PtSe2는 광전기적 반응에서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• PtS2/PtSe2 이종접합은 영구 전압 없이도 높은 광응답도 361 mW⁻¹를 나타내었다.
• 외부 양자 효율성(EQE)은 84%에 도달하여 거의 이상적인 광자-전자 변환 효율을 나타내었다.
• 광다이오드는 빠른 반응 속도 66 ms를 보이며 고속 광전자 응용에 적합하였다.
• 이론적 시뮬레이션을 통해 계면 상호작용으로 인해 PtS2의 금속간격이 원래 값의 절반으로 감소함을 확인하였다.
• 이종접합은 영구 전압 없이도 광역 스펙트럼(532–2200 nm)에서 동적 광전기 스위칭 성능을 보였다.
• 웨이퍼 스케일 제조 공정은 CVD 장비의 반응실 크기로만 제한되었으며, 확장 가능한 생산이 가능하였다.