二維MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)的光電性能研究

皇甫路遙，戴夢(mèng)德，南海燕，顧曉峰，肖少慶

(江南大學(xué)電子工程系，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心，無(wú)錫 214122)

0 引 言

過(guò)渡金屬硫族化物(TMD)作為一種新型的二維層狀材料，其層與層之間通過(guò)范德華力結(jié)合而成。相比于其他塊狀材料，這些獨(dú)特的二維材料具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)特性以及機(jī)械強(qiáng)度等。和傳統(tǒng)的硅基器件相比，二維材料光電器件為滿足日益增長(zhǎng)的電子市場(chǎng)需求提供了新的思路，可廣泛應(yīng)用于光電子器件、集成電路以及電化學(xué)等科技領(lǐng)域[1-6]。

二硫化鉬(MoS2)屬于典型的過(guò)渡金屬硫族層間化合物，由單層到多層對(duì)應(yīng)著直接帶隙向間接帶隙的轉(zhuǎn)變，在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有卓越的光電探測(cè)能力[7-9]。室溫下單層MoS2場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的電流開(kāi)關(guān)比可達(dá)108[10]，有效電子遷移率可達(dá)700 cm2/(V·s)[6,11]。在穩(wěn)定狀態(tài)下耗能比傳統(tǒng)硅晶體管小十萬(wàn)倍，其光響應(yīng)特性也遠(yuǎn)優(yōu)于石墨烯器件[12]，已廣泛應(yīng)用于柔性光電探測(cè)器、鋰電池電極[13]等領(lǐng)域。

二硒化鎢(WSe2)是一種可以實(shí)現(xiàn)電子空穴雙極輸運(yùn)的間接帶隙半導(dǎo)體材料[14]。WSe2由于具有較高的開(kāi)關(guān)比，較高的遷移率和卓越的光學(xué)特性等優(yōu)點(diǎn)使其成為制作光探測(cè)器等光電器件的優(yōu)秀材料[15-16]。WSe2場(chǎng)效應(yīng)晶體管的光響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到毫秒級(jí)別，在可見(jiàn)波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)響應(yīng)度范圍在10-1～105A/W[17]。

雖然MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的物理性能，比如響應(yīng)快、響應(yīng)范圍寬和光電轉(zhuǎn)換效率高等[18-20]，但科研人員對(duì)實(shí)際應(yīng)用的光電器件的研究還很有限。本文采用機(jī)械剝離干法轉(zhuǎn)移制備了高質(zhì)量且均勻的MoS2/WSe2垂直異質(zhì)結(jié)，并制成場(chǎng)效應(yīng)晶體管分別研究了其光學(xué)和電學(xué)性能，表明MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以作為高性能光電探測(cè)器合適的溝道材料。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 襯底的清洗

把切好的帶有300 nm SiO2的 p++硅片放進(jìn)燒杯，用濃度為 10%的丙酮溶液、濃度為95%的乙醇溶液、去離子水分別超聲5 min，去除表面有機(jī)物和雜質(zhì)。然后用干燥的N2吹去表面殘余的水分，即可使用。

1.2 樣品的剝離與異質(zhì)結(jié)的干法轉(zhuǎn)移

用藍(lán)膠粘取塊體的MoS2和WSe2材料，不斷對(duì)撕達(dá)到理想厚度，將其貼在準(zhǔn)備好的 PDMS(聚二甲基硅氧烷：一種疏水類的有機(jī)硅柔性襯底)上靜置 4～5 h，然后揭去膠帶并在PDMS帶有WSe2的一面貼上清洗干凈的硅片靜置2 h左右，即可在硅片上得到面積稍大的薄層WSe2樣品，然后在顯微鏡和三維轉(zhuǎn)移平臺(tái)下將PDMS透明襯底上的MoS2與目標(biāo)硅片上的WSe2樣品面對(duì)面進(jìn)行精確定位對(duì)準(zhǔn)并貼合，范德華異質(zhì)結(jié)的形成依靠的是轉(zhuǎn)移材料之間更強(qiáng)的粘附力，該方法便捷且環(huán)保，與濕法轉(zhuǎn)移相比可有效避免殘留的化學(xué)試劑對(duì)樣品的污染，已被證明是廣泛應(yīng)用的人工堆疊異質(zhì)結(jié)的重要制備方法，在其他文獻(xiàn)中也有詳細(xì)的報(bào)道[21]。

1.3 器件制備與電學(xué)表征

MoS2/WSe2場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源漏電極采用80 nm的Au電極，由DZS-BRY450 蒸鍍機(jī)熱蒸鍍制備而成，然后通過(guò)探針轉(zhuǎn)移法，分別將其轉(zhuǎn)移到MoS2和WSe2的兩端，介質(zhì)層為300 nm的SiO2，P摻雜的硅襯底作為背柵電極[22]。在常溫常壓下分別在光暗條件下測(cè)試了MoS2/WSe2FET的光電特性。使用的大光斑激光器型號(hào)為RL 532C50系列，激光功率通過(guò)調(diào)整激光器電流控制。在所有測(cè)試過(guò)程中，光斑為直徑1 cm的圓。

2 結(jié)果與討論

2.1 MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)的拉曼熒光特性

通過(guò)機(jī)械剝離干法轉(zhuǎn)移在SiO2/Si襯底上得到了高質(zhì)量均勻的MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)。如圖1(a)、(b)所示分別為基于MoS2/WSe2范德華異質(zhì)結(jié)的光學(xué)顯微鏡和原子力顯微鏡照片，可以看出WSe2和MoS2層的厚度分別為9 nm和10 nm,器件的總厚度為19 nm，這表明MoS2/WSe2pn結(jié)在垂直方向的通道中包含了大約24層。圖2為異質(zhì)結(jié)樣品三個(gè)不同位置的拉曼和熒光光譜，激發(fā)波長(zhǎng)為532 nm，從圖2(d)、(e)中可以清楚地看到，MoS2和WSe2分別在1.85 eV和1.38 eV處表現(xiàn)出強(qiáng)烈的熒光峰，由于在異質(zhì)結(jié)區(qū)域發(fā)生了電荷轉(zhuǎn)移，所以在重疊區(qū)域的MoS2熒光信號(hào)有所降低，如圖2(f)所示。圖2(a)、(b)可以看到MoS2的A1g和E2g峰分別位于380 cm-1和404 cm-1處，WSe2在248 cm-1處有一個(gè)強(qiáng)峰，在371 cm-1和392 cm-1處有兩個(gè)弱峰，此外MoS2與WSe2重疊的異質(zhì)結(jié)區(qū)域的拉曼光譜同時(shí)體現(xiàn)出了MoS2和WSe2的特征峰，且MoS2的峰強(qiáng)降低，這可以歸因于MoS2和WSe2的強(qiáng)界面耦合產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致拉曼峰的降低[23]，因此通過(guò)拉曼光譜和熒光光譜可以進(jìn)一步證明垂直異質(zhì)結(jié)的形成良好。

圖1 二維MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)：(a)光鏡圖和(b)AFM照片F(xiàn)ig.1 Two-dimensional MoS2/WSe2 heterojunction: (a) light mirror image and (b) AFM image

圖2 (a)MoS2、(b)WSe2、(c)MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)拉曼光譜；(d)MoS2、(e)WSe2、(f)MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)熒光光譜Fig.2 Raman spectra of (a) MoS2, (b) WSe2, (c) MoS2/WSe2 heterojunction; fluorescence spectra of (d) MoS2, (e) WSe2, (f) MoS2/WSe2 heterojunction

2.2 MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)的輸出特性

相對(duì)于MoS2/WS2形成的nn結(jié)，因?yàn)閃Se2為p型導(dǎo)電，所以形成的MoS2/WSe2為 pn結(jié)，具有更強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)。圖3(a)、(b)分別為該異質(zhì)結(jié)器件在0柵壓下的輸出線性和取半對(duì)數(shù)曲線，在所有電學(xué)測(cè)試中，都使用相同的掃描條件和柵壓范圍，以便對(duì)不同的器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋M向比較，從圖中可以看出該異質(zhì)結(jié)器件具有明顯的整流效果，其原因是兩種不同帶隙的半導(dǎo)體在接觸界面形成了較大的能帶偏移，形成Ⅱ型帶對(duì)，所以導(dǎo)致明顯的整流效果[24]。從圖3(b)不難計(jì)算出，在Vds=-1/+1時(shí)的最大整流比約為73.04，如此高的整流比是由于空穴和電子傳導(dǎo)分支的強(qiáng)烈不對(duì)稱性。

圖3 MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)器件的輸出(a)線性和(b)取半對(duì)數(shù)曲線Fig.3 Ids-Vds characteristics of the MoS2/WSe2 FETs in (a)linear and (b)semilog scales

2.3 520 nm激光照射下異質(zhì)結(jié)的光電特性

MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)器件在520 nm激光不同功率激發(fā)下的自驅(qū)動(dòng)時(shí)間分辨光電流曲線如圖4(a)所示，通過(guò)斬波器實(shí)現(xiàn)激光的開(kāi)關(guān)循環(huán)，可觀察到該器件具有良好且穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)特性，即當(dāng)半導(dǎo)體材料吸收大于其帶隙的光子能量，在導(dǎo)帶和價(jià)帶上生成電子空穴對(duì)，由于結(jié)區(qū)較大的內(nèi)建電勢(shì)，使光生載流子有效分離，因此在沒(méi)有外部偏置和門電壓的情況下也能形成較大的光電流。光照時(shí)的器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖5(a)所示，MoS2在上，WSe2在下，當(dāng)聚焦激光束入射到異質(zhì)結(jié)上時(shí)，WSe2中的電子轉(zhuǎn)移到MoS2上，而MoS2中的空穴轉(zhuǎn)移到WSe2上，其能帶示意圖如圖5(b)所示。隨著光照強(qiáng)度的增加，光激發(fā)載流子的數(shù)量增加，有效地被WSe2和MoS2的空間電荷區(qū)分開(kāi)。因此，光電流的大小隨入射功率的增大而增大，同時(shí)由于熱激發(fā)和漫反射等因素其響應(yīng)度降低[25]。響應(yīng)度(R)的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：S1為直徑約1 cm的圓，S2為邊長(zhǎng)約20 μm的正方形，故S1/S2為定值約1.96×105，不難得出原始器件在1.37 μW激光功率激發(fā)下響應(yīng)度最高為2.12×103A/W，對(duì)應(yīng)的光電流和探測(cè)率分別為1.48×10-8A和2.33×1011Jones，見(jiàn)圖4(b)、(c)。探測(cè)率D的公式如下：

(2)

式中：R為該器件的響應(yīng)度，e為元電荷的數(shù)值，其值為1.6×10-19，Idark為暗電流，通過(guò)上述公式可以得到，探測(cè)率和響應(yīng)度類似，均隨入射光功率的減小而增加。此外，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)該異質(zhì)結(jié)器件在不同功率的光激發(fā)下其響應(yīng)時(shí)間無(wú)明顯變化，上升時(shí)間τrise約為40 ms，下降時(shí)間τfall約為42 ms，如圖4(d)所示。

圖4 (a)MoS2/WSe2器件在不同光功率下的光響應(yīng)曲線；(b)響應(yīng)度與光電流隨入射光功率的函數(shù)曲線圖；(c)探測(cè)率與 入射光功率的對(duì)數(shù)曲線圖；(d)單周期光響應(yīng)曲線Fig.4 (a) Optical response curves of MoS2/WSe2 device under different optical powers; (b) curves of responsivity and photocurrent as a function of incident light power; (c) logarithmic curve of detection rate and incident light power; (d) single periodic optical response curve

圖5 (a)MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)器件示意圖;(b)光照下能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 (a) Schematic diagram of MoS2/WSe2 heterojunction device; (b) schematic diagram of energy band structure under illumination

3 結(jié) 論

本文通過(guò)機(jī)械剝離干法轉(zhuǎn)移制備了MoS2/WSe2垂直異質(zhì)結(jié)，采用拉曼熒光光譜和AFM對(duì)其表征，證明了異質(zhì)結(jié)的質(zhì)量形成良好。由于pn結(jié)具有較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，該器件的輸出具有明顯的整流特性，整流比約為73.04。對(duì)于可見(jiàn)光表現(xiàn)出穩(wěn)定且良好的光電探測(cè)能力，在520 nm激光波長(zhǎng)，功率P=1.37 μW的光激發(fā)下，對(duì)應(yīng)的光電流為1.48×10-8A，由上述公式計(jì)算響應(yīng)度和探測(cè)率可高達(dá)到2.12×103A/W和2.33×1011Jones，此外MoS2/WSe2異質(zhì)結(jié)的響應(yīng)時(shí)間約為40 ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MoS2本身的響應(yīng)時(shí)間。本項(xiàng)工作對(duì)于范德華異質(zhì)結(jié)光電器件的研究起到了一定的促進(jìn)作用。