[論文レビュー] Wafer-scale fabrication of 2D van der Waals heterojunctions for efficient and broadband photodetection

Jian Yuan, Tian Sun+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2018

2D Materials and Applications参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、2" SiO2/Si基板上に化学的気相成長法を用いて、ウェーパースケールで数層の2次元PtS2/PtSe2ファンデルワールスヘテロジャンクションフォトダイオードを形成し、532〜2200 nmの広帯域光検出を実現した。デバイスは高感度（361 mW⁻¹）、外部量子効率84%、高速応答（66 ms）を示し、スケーラブルでエネルギー効率の高いオプトエレクトロニクス応用が可能である。

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.

研究の動機と目的

• 実用的なオプトエレクトロニクス応用に向けた、2次元ファンデルワールスヘテロ構造のウェーパースケール統合の課題を克服すること。
• 既存の半導体プロセスインfraストラクチャと互換性を持つ、大面積2次元ヘテロジャンクションのスケーラブルなフォーメーション法を開発すること。
• 数層のPtS2/PtSe2ヘテロ構造を用いて、可視光から近赤外域にわたる広帯域で効率的な光検出を達成すること。
• バンド配置やフォトバタイック応答を含む、ヘテロジャンクションの電子的およびオプトエレクトロニクス的性質を特徴づけること。

提案手法

• 化学的気相成長法（CVD）を用いて、2" SiO2/Si基板上に直接、数層のPtS2およびPtSe2単層を成長させた。
• PtS2を逐次CVD成長させた後、PtSe2を成長させることで、直接的なウェーパースケール統合が可能なヘテロ構造を形成した。
• PtS2/PtSe2系における層間結合に起因するバンド構造の変化を分析するために理論的シミュレーションを実施した。
• 532 nmから2200 nmのレーザー照射条件下で、光学的および電気的特性を評価した。
• ゼロバイアス条件下で、写真感度、外部量子効率（EQE）、応答速度といった主な性能指標を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なSi基板上に、スケーラブルなCVD法を用いてウェーパースケールの2次元ファンデルワールスヘテロジャンクションを形成できるか？
• RQ2 PtS2/PtSe2ヘテロ構造における層間結合は、そのバンド構造および電子的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ3 可視光から近赤外域にわたるスペクトル範囲で、ヘテロジャンクションの広帯域光検出性能はいかほどか？
• RQ4 外部バイアスを用いずに、高感度の写真感度と高速応答速度を達成できるか？
• RQ5 ゼロバイアス動作下でのフォトバタイック応答において、PtS2とPtSe2が果たす役割は何か？

主な発見

• PtS2/PtSe2ヘテロジャンクションはゼロバイアス条件下で、361 mW⁻¹という高い写真感度を示した。
• 外部量子効率（EQE）は84%に達し、ほぼ理想に近い光子から電子への変換効率を示した。
• フォトダイオードは66 msという高速応答速度を示し、高速オプトエレクトロニクス応用に適していた。
• 理論的シミュレーションにより、層間結合によってPtS2のバンドギャップが元の値の半分にまで低下することが確認された。
• ヘテロジャンクションはゼロバイアス条件下で、532–2200 nmの広帯域にわたり動的フォトバタイックスイッチングを示した。
• ウェーパースケールのフォーメーションプロセスは、CVD装置のチャンバーサイズに制限されるのみであり、スケーラブルな生産が可能であることが示された。