关键词:
二维二硫化钼
聚甲基丙烯酸甲酯
光电探测器
驻极体栅介质层
调控机制
摘要:
二维二硫化钼(MoS2)作为二维过渡金属硫化物(TMDs)的典型代表,具有优异的电子学性能、热导性、机械柔韧性和良好的生物相容性等特点,有望替代硅基材料成为下一代的新型半导体材料。此外,二维MoS2具有厚度和禁带宽度可调、良好的化学稳定性等特点,室温下单层MoS2的带隙约1.8 e V,对于可见光波段具有良好的吸收,其理论开关比高达10~8,亚阈值摆幅仅为74 m V/dec,其优秀的光电性能在光电探测领域展现了巨大的应用潜力。然而,单层MoS2受原子层厚度限制引起的光吸收不足和淬灭效应的存在,仅由单层MoS2制成的光电导探测器未表现出理想的光探测性能。为此,本文在单层MoS2光电导探测器的基础上构建聚了甲基丙烯酸甲酯(PMMA)驻极体栅介电层,利用PMMA注极后形成的静电势调控MoS2的能带结构和载流子的输运过程,从而实现在提高器件光响应度的同时保持较快的响应速度。为此开展的主要研究工作如下:
(1)二维MoS2的制备。本文创新性提出了氨水预处理及Na Cl辅助CVD法制备大面积二维MoS2。利用氨水对钼源的预处理,使得MoS2生长阶段钼源的空间分布更加均匀,从而提高了生长出的MoS2的均匀性,成功制备了尺寸约为500μm的二维单层MoS2,相较于未经水氨预处理的方法提升了约一个数量级。实验得出合成大面积MoS2的优化实验参数为:Mo O3/Na Cl重量比为10 mg/1 mg,反应温度为730℃,载气流量为90 sccm。
(2)在上述研究的基础上,利用湿法转移将制备的MoS2转移到干净的Si O2/Si基底上,沉积金属电极构建了MoS2光电导探测器。实验测得器件暗电流约为2 n A,在波长532 nm的绿色激光以4.98 mW/cm2功率照射下,器件开关比约为1.0×10~2,在光照功率低至110μW/cm2时,器件光响应度为5.76 A/W,比探测率为1.96×10~9 Jones,器件的开启和关闭均可在145 ms内完成;在波长648 nm的红色激光以30.03 mW/cm2功率照射照射下,实验测得其开关比(光电流与暗电流之比)达到~5.0×10~2,在光照功率低至31.35μW/cm2时,光响应度为12.25 A/W,比探测率为4.19×10~9 Jones,器件的开启和关闭均可在145 ms内完成。
(3)尽管MoS2光电导探测器已经展示出了一定的光电探测性能,但其仍未达到理想预期。为此,本文提出在上一步构建的MoS2光电导探测器基础上,通过构建驻极体栅介质层构成光电场效应管来调控MoS2光电探测器的性能。经驻极体栅介质调控后,在波长532 nm的绿色激光即使以更小的4.14 mW/cm2功率照射下,器件开关比仍提升到了比MoS2光电导探测器在4.98 mW/cm2功率照射下开关比更高的~1.6×10~3,在光照功率低至47μW/cm2时,光响应度为21.28 A/W,比探测率为7.29×10~9 Jones,器件的开启和关闭均可在145 ms内完成;在波长648 nm的红色激光以15.5 mW/cm2功率照射照射下,器件开关比仍提升到了比MoS2光电导探测器在30.03 mW/cm2功率照射下开关比更高的~6.1×10~3,在光照功率低至124μW/cm2时,光响应度为56.32 A/W,比探测率为1.93×1010Jones,器件的开启和关闭均可在145 ms内完成。