[论文解读] Photovoltaic effect in gated MoS2 Schottky junctions

Márcio Fontana, Tristan Deppe+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2012

2D Materials and Applications被引用 2

一句话总结

本研究通过使用金（Au）和钯（Pd）等不同金属接触调控功函数，实现了在MoS2肖特基结中栅压可调的光伏效应。不对称的双极性行为和强烈的光伏响应源于肖特基结处的内建电势，从而实现了可调谐、接触工程化的光电探测器，具有低功耗、高灵敏度光电探测器的潜力。

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.

研究动机与目标

• 探究接触功函数对少层MoS2晶体管中载流子极性的影响。
• 解决在MoS2中实现可靠p型传输的挑战，该挑战由于本征掺杂和接触势垒而难以实现。
• 通过非对称接触工程与栅压调制，展示MoS2肖特基结中的光伏效应。
• 基于肖特基结处的内建电势，建立光伏效应的作用机制。

提出的方法

• 制备采用金（Au）或钯（Pd）作为源/漏电极的多层MoS2场效应晶体管，以调节功函数。
• 采用背栅结构调制费米能级，控制沟道中的载流子类型（n型或p型）。
• 在不同栅压下测量电流-电压特性，以观察双极性输运和二极管样行为。
• 在可变栅压下对器件进行光照，量化光伏响应，并将其与结电势相关联。
• 分析光伏效应源于肖特基结处由于内建电场引起的空间电荷积累。
• 对比仅使用Au、仅使用Pd以及非对称Au/Pd接触的器件行为，以分离接触功函数的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 金属接触的选择（Au与Pd）如何影响MoS2晶体管中载流子输运的极性？
• RQ2 在非对称接触的MoS2器件中，栅压调节能否诱导从n型到p型行为的转变？
• RQ3 在MoS2肖特基结中观察到的光伏效应的起源是什么？
• RQ4 肖特基结处的内建电势如何影响光伏响应？
• RQ5 在非对称MoS2结中，外部栅压对光伏效应的调制程度如何？

主要发现

• 采用Au接触的MoS2晶体管表现出n型行为，这是由于Au的低功函数有利于电子注入。
• 采用Pd接触的器件表现出p型输运，表明Pd的高功函数有效促进了空穴注入。
• 采用一个Au和一个Pd接触的器件在宽栅压范围内表现出非对称双极性行为和整流二极管特性。
• 在光照下观察到显著的光伏效应，光生电压源于肖特基结处的内建电势。
• 通过栅压调制可调节光伏响应，证实了内电场在电荷分离中的作用。
• 功函数工程化的肖特基结为调控二维半导体中的载流子极性和增强光电响应提供了可行路径。