[论文解读] High Photoresponsivity and Short Photo Response Times in Few-Layered WSe$_2$ Transistors

Nihar Pradhan, Jonathan Ludwig+7 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2015

2D Materials and Applications被引用 4

一句话总结

本研究展示，采用简单Ti/Au接触的少层WSe₂场效应晶体管可实现极高的光电响应度（在白光下最高达7 A/W，532 nm波长下约为100 mA/W）和超快响应时间（约10 µs），优于更复杂的异质结构。高性能源于三层WSe₂中优化的载流子输运和减少的衬底相互作用，其中电极在不对称光电流生成中起关键作用。

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.

研究动机与目标

• 研究机械剥离的三层WSe₂场效应晶体管在SiO₂/Si衬底上的光导响应特性。
• 确定器件结构、接触配置和层厚对光电响应度和响应时间的影响。
• 从响应度、量子效率和响应速度方面，比较WSe₂ FET与更复杂异质结构的性能表现。
• 明确电极和能带弯曲在塑造不对称光电流响应中的作用。

提出的方法

• 将机械剥离的三层WSe₂晶体转移到SiO₂/Si衬底上，制备背栅FET。
• 采用Ti/Au电极作为源极和漏极接触，以确保一致的肖特基势垒形成。
• 在白光照射（P < 10² W/m²）和单色激光激发（λ = 532 nm和408 nm）下测量光电响应。
• 基于测得的光电流和入射光功率，计算光电响应度 R = Iph/P 和外量子效率（EQE）。
• 利用原子力显微镜（AFM）和显微图像确认层厚和器件几何结构。
• 系统性地改变激光光斑相对于电极的位置，研究接触依赖的光电流不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不采用复杂异质结构工程的前提下，简单少层WSe₂ FET可实现的最大光电响应度是多少？
• RQ2 三层WSe₂ FET的光电响应时间尺度如何？哪些因素限制或增强其响应速度？
• RQ3 为何光电流对所施加的漏源电压极性表现出强烈不对称性？
• RQ4 激光光斑相对于电极的位置如何影响测得的光电流？
• RQ5 肖特基势垒和接触附近局部能带弯曲在光电流生成中起什么作用？

主要发现

• 在入射光功率密度低于100 W/m²的白光照射下，三层WSe₂ FET的最大光电响应度可达7 A/W。
• 在532 nm激光激发下，光电响应度达到约100 mA/W，室温下外量子效率最高可达约40%。
• 光电响应时间约为10微秒，表明具有超快的载流子动力学特性。
• 光电响应度对漏源电压极性表现出显著不对称性，当激光光斑靠近漏极接触且Vds为正时，光电流显著增大。
• 这种不对称性源于接触附近局部能带弯曲和强电场，当光照射区域靠近接触时，可增强载流子提取效率。
• 在较短波长（408 nm）下，光电响应度降至约20 mA/W，外量子效率降至约6%，表明由于吸收降低或复合增加，效率下降。