[论文解读] Spatially Resolved Photo-Excited Charge Carrier Dynamics in Phase-Engineered Monolayer MoS2

Hisato Yamaguchi, Jean‐Christophe Blancon+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2014

2D Materials and Applications参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究利用空间分辨扫描光电流显微镜和光致发光成像，研究了相工程化单层MoS2中的光激发载流子动力学。结果表明，将2H相（半金属）转变为1T相（金属）可使肖特基势垒高度从约200 meV降低至几meV，光致响应度提升一个多数量级以上，从而实现高效、低功耗的光电探测器，具有欧姆接触特性。

ABSTRACT

A fundamental understanding of the intrinsic optoelectronic properties of atomically thin transition metal dichalcogenides (TMDs) is crucial for its integration into high performance semiconductor devices. Here, we investigate the transport properties of chemical vapor deposition (CVD) grown monolayer molybdenum disulfide (MoS2) under photo-excitation using correlated scanning photocurrent microscopy and photoluminescence imaging. We examined the effect of local phase transformation underneath the metal electrodes on the generation of photocurrent across the channel length with diffraction-limited spatial resolution. While maximum photocurrent generation occurs at the Schottky contacts of semiconducting (2H-phase) MoS2, after the metallic phase transformation (1T-phase), the photocurrent peak is observed towards the center of the device channel, suggesting a strong reduction of native Schottky barriers. Analysis using the bias and position dependence of the photocurrent indicates that the Schottky barrier heights are few meV for 1T- and ~200 meV for 2H-contacted devices. We also demonstrate that a reduction of native Schottky barriers in a 1T device enhances the photo responsivity by more than one order of magnitude, a crucial parameter in achieving high performance optoelectronic devices. The obtained results pave a pathway for the fundamental understanding of intrinsic optoelectronic properties of atomically thin TMDs where Ohmic contacts are necessary for achieving high efficiency devices with low power consumption.

研究动机与目标

• 理解原子级厚度过渡金属二硫属化合物（TMDs）的本征光电特性，特别是单层MoS2。
• 研究相工程——特别是从2H相到1T相的转变——对光激发下载流子动力学的影响。
• 确定金属接触处MoS2器件中肖特基势垒高度的空间分布与大小。
• 评估降低肖特基势垒对光致响应度与器件性能的影响。
• 建立实现2D TMD基光电探测器中欧姆接触的路径，以实现低功耗、高效率的应用。

提出的方法

• 采用衍射极限空间分辨率的扫描光电流显微镜，对化学气相沉积生长的单层MoS2器件沟道中的光电流生成进行成像。
• 利用光致发光成像，将光学发射与局部电子结构及相分布相关联。
• 应用相工程化技术，对局部区域的2H相MoS2进行转化，形成具有不同电子性质的区域。
• 通过分析位置和偏压依赖的光电流测量，提取金属接触处的肖特基势垒高度。
• 对2H相（半导体）和1T相（金属）MoS2器件进行对比分析，评估其在电荷输运与光电响应方面的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层MoS2的局部相态（2H相与1T相）如何影响光生载流子的空间分布？
• RQ2 2H相和1T相MoS2器件中金属接触处的肖特基势垒高度大小是多少？
• RQ3 相工程如何影响器件沟道中光电流生成的分布特征？
• RQ4 降低肖特基势垒在多大程度上提升了2D TMD基器件的光致响应度？
• RQ5 相工程化的1T-MoS2能否实现近似欧姆接触行为，从而提升光电性能？

主要发现

• 与2H相MoS2中约200 meV的肖特基势垒高度相比，1T相MoS2中接触界面的肖特基势垒高度降低至几meV，表明注入势垒显著降低。
• 在2H相MoS2中，光电流主要生成于肖特基接触区域；而在1T相MoS2中，光电流则集中于沟道中心，证实了肖特基势垒的抑制。
• 1T相MoS2器件的光致响应度相比2H相器件提升了一个多数量级以上。
• 空间分辨测量结果证实，1T相转变可局部抑制肖特基势垒，从而实现更高效的载流子提取。
• 结果表明，相工程化的1T-MoS2可作为实现2D半导体器件中低电阻、欧姆接触特性的可行平台。