黑磷-二硫化鉬異質結光電流特性的研究

王瀟雅，葛飛洋，南海燕，肖少慶

(江南大學電子工程系，物聯網技術應用教育部工程研究中心，無錫 214122)

1 引 言

鑒于此，本文利用機械剝離法制備了多層的n型MoS2和p型BP，利用干法轉移構筑垂直異質結，通過轉移電極的方法制備成器件，研究了該器件在不同波長激光下的響應，發現其在近紅外區域有著較明顯的響應。同時由于MoS2的包裹保護，極大地提高了BP的穩定性，研究發現在空氣中可以保持兩個月之久。該方法都是基于厚層樣品進行研究，易于剝離，樣品尺寸較大，厚度均勻，方便點對點轉移制備異質結。借此研究探索異質結的優良性能，以提高異質結探測器的應用。

2 實 驗

2.1 異質結制備與表征

黑磷樣品從大塊晶體上通過膠帶對撕法，機械剝離到300 nm SiO2的硅襯底上；MoS2樣品從塊狀晶體上通過藍膠對撕，剝離到PDMS柔性透明襯底上。在萊卡DM2700光學顯微鏡下，使用自制的三維轉移平臺，將目標樣品點對點貼合在一起，制備出MoS2-BP垂直異質結，具體步驟為：首先將貼有BP樣品的SiO2/Si襯底粘貼在顯微鏡的載物臺上，聚焦目標區域；接著將載物臺降到最低(為MoS2樣品的聚焦留足空間)；然后將貼有MoS2樣品的PDMS襯底貼于懸臂上載玻片的下表面(樣品面朝下)，調整三維轉移臺的x、y、z軸，聚焦MoS2樣品；最后，緩慢升起載物臺，直到在目鏡中能看到硅片上的BP樣品，再微調載物臺使樣品中心在一條垂線上，旋轉細準焦螺旋使兩個樣品貼合。通過Renishaw LabRAM Inviamicro共焦拉曼光譜儀對樣品進行拉曼、熒光表征。

2.2 器件制備與電學表征

制備器件時，先使用DZS-BRY450蒸鍍機熱蒸鍍80 nm的金電極，再通過探針轉移法，將電極轉移到二硫化鉬(異質結中的上層)的兩端，分別作為源、漏電極。采用厚度約為300 nm的SiO2層作為介質層，p摻雜的硅襯底作為背柵電極，制備場效應晶體管。在大氣環境中，利用Keithley 2634B分析儀，在黑暗和光照條件下測試了MoS2-BP器件的光電性能。在樣品上分別照射532 nm、940 nm波長、2 Hz頻率的激光，激光器型號分別為RENISHAW RL 532C50和MDL III系列，通過調整激光器電流控制激光功率。在所有光電流測試中，激光通過50X物鏡(NA=0.5)聚焦到樣品上，光斑大小約1 μm，遠小于器件溝道大小。

3 結果與討論

3.1 黑磷和異質結的拉曼熒光特性

圖1 黑磷和二硫化鉬-黑磷異質結的光學表征圖Fig.1 Optical characterization of BP and MoS2-BP heterojunction

3.2 532 nm激光照射下異質結的光電流特性

為了研究異質結的光電特性，在MoS2兩端轉移了80 nm金作為源、漏電極，具體方法在實驗部分介紹。圖2(a)為MoS2-BP異質結器件光學顯微鏡成像圖，圖中虛線圈出來的異質結區域1、2、3，對應MoS2下BP厚度依次變薄。圖2(b)是VDS=1 V時，MoS2區域在暗場及不同功率的532 nm激光照射下的輸出特性曲線對比圖。電流與偏壓之間的非線性增長，說明轉移的電極與MoS2樣品之間存在肖特基勢壘。激光照射下電流比暗場電流大，電流大小與入射激光功率呈正相關，表明在激光照射下有光電流的產生。即當入射光子能量大于材料的帶隙，價帶上電子躍遷到導帶，形成電子-空穴對，電子和空穴分別在導帶、價帶作為載流子，形成光生載流子[21-22]。入射功率越強，光電流越大。說明光功率越高，產生的光生載流子越多，在外加偏壓的驅動下，光電流就越大。這種現象在圖2(d)中展示的更明顯，圖2(d)為異質結區域3在99.5 μW、185.2 μW、1095 μW、2100 μW等不同入射激光功率照射下的光電流對比圖。有激光照射時，電流升高，無光照射時，電流下降。功率從99.5 μW升高到2100 μW的過程中，光電流不斷增加。光電流隨入射功率變化圖如圖2(f)，光電流隨光功率呈線性增長。光電流是圖2(d)中電流最大值減電流最小值，即[23]

Iph=Iill-Idark

(1)

衡量光探測能力的另一個指標就是光響應度，是光電流與有效吸收功率的比值[24]

R=Iph/PS

(2)

式(2)中Iph為光電流，P為功率密度，S為吸光面積，本文中所使用的激光光斑遠小于樣品面積，所以認為激光功率全部被吸收，隨著激光功率的增加，響應度逐漸變小，這屬于光電導器件的共同特點，即隨著功率的增加，載流子復合加劇，響應度降低[25]。

接著研究了不同區域的光電流特性。MoS2、異質結區域1、2、3，這四個不同區域在VDS=1 V，入射激光功率1.095 mW時的光電流對比圖如圖2(c)。不同區域的光電流變化趨勢展示在圖2(e)中，MoS2區域的光電流最大，當激光照射在MoS2-BP異質結上，MoS2中產生光生載流子的同時，MoS2和BP構成的p-n結也會有電子空穴對的擴散，一定程度上阻礙光生載流子的運動，最終導致異質結區域1、2、3的光電流小于單純MoS2區域。對于不同異質結區域，BP厚度越薄，光電流越大，表明BP對MoS2影響越小，BP與MoS2間的擴散的電子空穴數量越少，即兩者之間相互作用越弱。

圖2 532 nm激光下MoS2-BP異質結器件光電流特性Fig.2 Photocurrent characteristics of MoS2-BP heterojunction device by 532 nm laser

3.3 940 nm激光照射下異質結的光電流特性

BP樣品隨厚度變化帶隙也不斷變化(0.3～2 eV)，所以其在紅外也有較高響應。MoS2因其帶隙較大，在紅外響應比較弱。因此將BP作為吸光層，940 nm激光照射下，研究了MoS2-BP異質結的光響應。圖3(a)中最上面的圖為單純硫化鉬的光響應，線型粗糙，電流不穩定，上升時間τ=30 ms,下降時間τ=68 ms，響應時間為電流上升(下降)10%到90%之間的時間[26]。這是因為激光照射時，產生電子空穴對，無光照瞬間，電子被陷阱束縛，無法復合，導致光電流下降沿時間比上升沿時間長。圖3(a)中間的圖是BP光電流圖，光電流可以快速達到穩定飽和，響應度較單純的MoS2高，上升時間和下降時間都約為40 ms。圖3(a)最下面圖為MoS2-BP異質結區域1的光電流，光電流曲線較單純MoS2區域稍平滑，光響應時間為38 ms，比單純MoS2、BP區域響應時間都稍有提高，尤其比單純MoS2下降時間變快。說明由于黑磷的存在起到了提高異質結紅外響應的作用。然而可能由于二硫化鉬過厚，和黑磷的相互作用不是很強，導致光響應比較微弱，異質結的特性體現的不是很明顯。BP在異質結器件中的作用原理圖如圖3(b)，上圖為單純BP器件在紅外的吸收示意圖，厚層黑磷帶隙較小，紅外光光子能量幾乎可以完全被吸收，箭頭代表光的方向；下圖為MoS2-BP異質結器件在紅外的吸收示意圖，MoS2覆蓋在BP上，BP作為吸光層，增加了異質結對光的吸收，但由于MoS2對近紅外光不吸收，所以異質結區域的光電流較單純BP的弱。

圖3 940 nm激光下MoS2-BP異質結器件光電流特性Fig.3 Photocurrent characteristics of MoS2-BP heterojunction device by 940 nm laser

3.4 黑磷和異質結穩定性研究

如何提高黑磷在空氣中的穩定性一直是黑磷器件要面臨的首要問題。將被MoS2覆蓋的黑磷樣品和裸露的黑磷樣品同時放在室溫20 ℃，濕度60%的房間內，每天監測其光學變化。圖4(a)、(b)對應裸露的BP樣品剛剝離的和兩周后的光學顯微鏡成像圖，剛剝離的樣品表面光滑整潔，無明顯缺陷，兩周后表面出現綠色氧化物，表明BP與水反應生成磷酸，隨著時間推移，磷酸和水反應生成PxOy磷氧化物，不僅影響光學特性更是降低電學特性[27]。圖4(c)、(d)對應MoS2-BP異質結樣品剛剝離的和兩個月后的光學顯微鏡成像圖，異質結部分光滑無氣泡，說明了上層的 MoS2為BP與外界隔絕創造了良好條件。如預期一樣，兩個月后異質結樣品光電性能也基本沒有變化。

圖4 剛剝離的和兩周后的BP和兩月后的MoS2-BP異質結光學顯微鏡成像圖Fig.4 Optical image of BP and MoS2-BP heterojunction after prepared and two weeks (months)

4 結 論

本文通過干法轉移制備了黑磷-二硫化鉬垂直異質結構，都采用厚層樣品進行研究保證了器件制備的簡單高效。在該異質結中，由于二硫化鉬層有效的阻止了周圍環境中的氧氣、水等雜質對黑磷樣品的退化作用，使其在空氣中能夠穩定兩個月之久。同時由于厚層黑磷的窄帶隙結構，極大地增加了異質結在近紅外區域的吸收，相對單純的厚層硫化鉬器件，該異質結器件在近紅外區域表現出較強的光響應。該文中的厚層異質結器件為實現二維硫屬化合物在紅外區域的探測提供了新的方法與思路。