以下文章来源于低维 昂维
研究背景
2D层状材料由于其独特的性质，如原子级厚度、机械柔性、强光-物质相互作用和可调谐的电子性质，是下一代电子器件的重要组成部分。与传统基于Si和GaN的3D器件一样，构建肖特基结和p-n结等2D基器件的关键是定义合理的结区，以实现高的电整流比。MoS2是一种典型的2D材料，在场效应晶体管、光电探测器、气体传感和存储器件等应用中得到了广泛的研究。研究人员利用非对称金属接触制造了MoS2肖特基二极管。为了构建MoS2 p-n结，人们尝试了原子取代、离子注入、等离子体处理和化学掺杂等多种策略。然而，迄今为止，MoS2基肖特基二极管和p-n二极管的电流整流比仍然很低，通常在101-104范围内。MoS2结的性能差，通常会导致噪声大、功耗高等问题，无法满足电子电路的要求。器件的整流比由结的势垒高度和耗尽区的宽度决定，两者都取决于器件的掺杂水平。由于MoS2的本征强n型掺杂，通过上述方法对MoS2进行p型掺杂而不破坏晶体质量是一个挑战。缺乏高质量的p型MoS2直接导致基于MoS2的p-n结的整流率低。对于肖特基结器件，由于费米能级钉扎效应，金属/MoS2接触处的势垒高度对二者功函数差的依赖性较弱，导致势垒高度较小。此外，MoS2中强电子掺杂导致的窄耗尽区增加了隧穿电流的可能性。这两个因素共同决定了MoS2基肖特基结的低整流比。因此，制备具有高整流比的MoS2 p-n结和肖特基结的关键是在足够宽的范围内调节MoS2的载流子浓度，而不引入界面缺陷。
成果介绍
有鉴于此，近日，华中科技大学王顺教授，张卜天副研究员和张有为副研究员（共同通讯作者）团队展示了在具有两种类型金属接触的部分离子液体栅控MoS2器件中从肖特基结到p-n结的可控切换。在肖特基和p-n结模式下均实现了优异的整流行为，电流开/关比超过106。通过空间分辨光电流成像揭示了Pd电极/MoS2接触处肖特基结和p-MoS2/n-MoS2界面处p-n结的形成。在离子栅极调制下，两个结之间的切换与能带的变化有关，并通过有限元模拟进一步验证了这一点。该器件在p-n结模式下具有优异的光电探测性能，包括开路电压高达0.84 V，响应率为0.24 A W-1，比探测率为1.7×1011 Jones，响应时间为数百微秒，线性动态范围高达91 dB。这种高性能肖特基结和p-n结的电场控制为研究结的行为和2D电子器件的发展开辟了新的视角。文章以“Controllable Switching between Highly Rectifying Schottky and p-n Junctions in an Ionic MoS2 Device”为题发表在著名期刊Advanced Functional Materials上。
图文导读
图1. （a）四电极MoS2晶体管的3D示意图。（b）除了P1-P2区域有一个窗口外，被光刻胶覆盖的四电极晶体管的光学显微照片。（c）Vd=0.1 V时器件P1-P2区域和N1-N2区域的转移特性。（d）Vig=0.0、-0.5、-5.0 V时P1-N1区域的输出特性。
器件结构示意图如图1a所示。本文首先制备了一个四电极MoS2晶体管，考察离子栅控效应和光刻胶的保护作用。经过机械剥离和转移到SiO2/Si衬底上，本文选择了5-12层MoS2薄片以获得高载流子迁移率。典型器件的俯视图光学显微图如图1b所示。经过硬烘烤后，放置一滴DEME-TFSI，将离子栅极与光刻胶窗口中的MoS2沟道连接起来。基于该器件设计，离子栅极电压对暴露于离子液体的通道区域起着关键作用，离子液体栅控可以诱导出高密度的载流子。同时，由于与离子液体的分离，MoS2的其余部分保持了其n型性质。DEME-TFSI在220 K下的宽电化学窗口允许Vig在-6.0 V至6.0 V的范围内施加，比-2.0 V至2.0 V(室温下)宽得多，这对应于该器件的较重掺杂水平。比较P1-P2和N1-N2区域的转移特性，验证光刻胶窗口是否有效(图1c)。当Vig从+3.0 V扫描到-6.0 V时，在P1-P2区域表现出典型的场效应，表明暴露沟道中的n型导通、截止状态和p型导通。p型分支的开/关比高达107，这得益于清洁的MoS2-离子液体界面和薄双电层(≈1 nm)中的超高电场。作为P1-P2区域的控制，N1和N2之间的电流与Vig无关。由于MoS2薄片的一半是n型，另一半可以从n型切换到p型，可以通过调节Vig来控制p-n结的存在，从而控制P1-N1区域的整流比。除Vig外，整个沟道区域的载流子密度也受Vbg的影响。图1d显示了不同Vig下P1-N1区域的输出特性。在Vig=-5.0 V时，p型MoS2在窗口中，当扫描漏极电压(Vd)时，器件表现出类似二极管的行为，整流比为2×106。有趣的是，当暴露的MoS2已经是n型时，该器件仍然是整流器，在Vig=-0.5 V时整流比超过106。即使当沟道在Vig=0.0 V下大量n掺杂时，这种行为仍然存在。
图2. 在Vig从-6.0 V~-2.0 V和-2.0 V~0.0 V下，器件中载流子分布的示意图。
接下来，讨论整流器的工作原理，如图2所示。当Vig从-6.0 V变化到-2.0 V时，在离子栅极与MoS2沟道之间的电偏置驱动下，大量负离子向沟道表面移动，导致窗口内MoS2的空穴载流子浓度较高。该区域的空穴浓度在更高的Vig下增加，而MoS2的其余部分不受影响，从而在沟道中间产生内建电场并形成p-n结，如图2a所示。得益于离子液体诱导的超高空穴掺杂密度，在两侧掺杂水平合适的p型MoS2和n型MoS2之间形成了具有较大有效势垒的p-n结。由此得到整流比大于106的器件，比其他方法制备的MoS2 p-n结提高了两个数量级。在-2.0 V至0.0 V的Vig范围内，考虑到离子液体/MoS2界面处离子和空穴浓度较低，如图2b所示，沟道中间不应存在p-n结，特别是在整个MoS2沟道为n型的零偏置条件下。在低电压下，MoS2晶体与高功函数Pd电极之间可能形成肖特基结。如果是这样，由于在n型MoS2/Pd界面上的空间电荷区和内建电场，该器件可以表现出整流行为。事实上，由于离子诱导的高载流子浓度，这种肖特基结具有宽且无缺陷的耗尽区，从而产生低截止状态电流。同时，欧姆Ti/MoS2接触有利于大的导通电流。因此，在器件中实现了＞106的整流比，比先前报道的MoS2基肖特基二极管高出两个数量级。
图3. 不同Vig的空间分辨光电流成像(SPCM)。（a）MoS2器件的光学图像。（b&c）在-0.5 V和-5.0 V Vig下的SPCM图像。
为了验证所提出的整流机制，在不同的Vig下对器件进行了空间分辨光电流成像(SPCM)测试以定位结。图3a显示了用于SPCM测试的MoS2器件的光学图像。这里将器件结构简化为两个电极，以便增加沟道长度，清晰地观察结的位置。在Vig=-0.5 V时，器件在零源-漏极偏置时的SPCM图像如图3b所示。可以观察到，最大光电流的位置在Pd/MoS2接触边缘附近，这是由于肖特基结的内建电场。因此，在Vig=-0.5 V时的电整流行为归因于Pd电极和MoS2界面上的肖特基势垒。作为对比，图3c中在Vig=-5.0 V下测量的SPCM图像显示，在器件的中间区域产生了很大的光电流，该区域与暴露于离子液体的MoS2和被光刻胶覆盖的MoS2之间的边界相吻合。结果表明，在沟道中间产生了一个强大的内建电场，这与提出的p-n结形成机制一致。与Vig=-0.5 V时的成像相比，在相对较宽的区域内，较高的光电流意味着更强的内建电场和更宽的耗尽区，这促进了电荷分离，并导致了-5.0 V时的高电整流比。
图4. 空间分辨光电流线扫描图像及能带随Vig的变化。（a）SPCL图像与Vig的关系。（b）典型Vig下的光电流与激光照射位置的关系。（c）典型Vig下的能带结构示意图。
为了研究内建电场随Vig的变化，在Vig从0.0 V连续调谐到-6.0 V期间进行了一系列空间分辨光电流线扫描(SPCL)测试，如图4a所示。白色虚线表示最大光电流，并表示内建电场的移动。随着Vig增加，最大光电流的位置从Pd/MoS2接触移动到MoS2沟道中间，对应于内建电场从肖特基结切换到p-n结。在图4b中提取并绘制了典型Vig处的代表性线扫描光电流曲线。光电流的位置、大小和方向随Vig变化而变化，这可以从能带结构的角度来理解。在不同Vig下，空间分离的Pd、离子栅控的MoS2和光刻胶覆盖的MoS2的能带排列和费米能级如图4c所示。在实际器件中，这三部分的接触导致电位势垒和结的形成。在Vig=0.0 V时，光电流集中在Pd/MoS2接触边缘附近。由于本征n掺杂MoS2的费米能级比Pd高得多，它们的接触产生了一个从MoS2指向Pd电极的内建电场，在接触处形成了一个肖特基结。Pd/MoS2的光电流是由内建电场驱动的光生载流子分离产生的。在Vig=-0.5 V时，最大光电流位置不变，表明离子栅控MoS2的费米能级虽然降低，但仍高于Pd，接近光刻胶覆盖的MoS2。当Vig增加到-0.75 V时，Pd/MoS2接触处产生的光电流减小，而在沟道中间出现第二次最大值。这表明离子栅控的MoS2在Vig=-0.75 V时的费米能级接近Pd，并导致它们接触处的肖特基内建电场减弱。同时，由于两侧MoS2的载流子浓度差异，在沟道中间产生了内建电场。当Vig=-1.0 V时，沟道中间产生的光电流如预期的那样增加，而Pd/MoS2接触处的光电流方向明显相反。这种光电流反转与离子栅控MoS2的费米能级比Pd低有关，在这种情况下，内建电场的方向是从Pd到MoS2。当Vig=-2.0 V时，Pd/MoS2接触处的光电流消失，沟道中间产生的光电流明显增强。与肖特基结模式最大光电流≈0.3 nA相比，这里的最大光电流≈1.4 nA表明了更强的内建电场。从能带的角度看，当MoS2中积累了高浓度的空穴时，Pd与MoS2之间的肖特基结消失，形成欧姆接触。同时，样品中部p型MoS2和n型MoS2的接触产生了很强的p-n结内建电场。当Vig从-2.0 V进一步增加到-6.0 V时，p-n结处的光电流变化不明显，只是其产生位置略微向右移动。对于所有施加的Vig，由于掩膜下的MoS2不受离子栅控的影响，因此Ti和MoS2之间形成欧姆接触，在接触处没有明显的光电流。
图5. 当Vig=-5.0 V时，工作在p-n二极管模式下的MoS2器件的光电响应。（a）MoS2 p-n二极管在不同功率密度638 nm光照下的输出特性。（b）MoS2 p-n二极管的短路电流和开路电压。（c）Vd = 0.0 V光伏模式和Vd = 1.0 V光电导模式下的响应率R和比探测率D*。（d）MoS2 p-n二极管在500 Hz脉冲光照下的响应速度测试。
接着，对该器件进行了光电测量，以检验其在光电探测中的潜在应用。图5显示了在Vig=-5.0 V时MoS2 p-n二极管的光电性能。从图5a的输出特性曲线可以看出，该器件具有很强的光响应。随着光功率密度增加，器件在Vd范围为0.0~1.0 V时光电流/暗电流比超过105。在26.54 W cm-2光照下，短路电流(Isc)和开路电压(Voc)分别达到7.3 µA和0.84 V。在光照功率密度P的4个数量级以上，光电流Isc对P的依赖关系可以用指数α为1.01的幂律关系IPC∝Pα很好地拟合(图5b)。它非常接近理想的p-n光电二极管(α=1)，显示出完美的线性光响应。光响应线性度的定量评估得出线性动态范围(LDR)为91 dB，略低于商用Si光电探测器(≈120 dB)，但远优于InGaAs(≈66 dB)和其他MoS2光电探测器。图5c显示了器件在Vd=0.0 V和Vd=1.0 V时的响应率R和比探测率D*。在较宽的功率密度范围内，响应率恒定(Vd=0.0 V时≈0.24 A W-1)，表明光伏效应是MoS2 p-n光电二极管产生光电流的主要机制。光电导增益的贡献可以排除，因为它会导致响应流随着光功率密度增加而降低。D*在零偏置时高达1.7×1011 Jones，甚至可以与现有的Si和InGaAs基光电二极管(1011-1012 Jones)相媲美。Vd=1.0 V时的D*略小于零偏置时，这是由于反向偏置电压下的暗电流噪声较大。图5d为500 Hz脉冲光照下的光电流响应，从中可以提取出响应时间。在反向偏置模式下，MoS2 p-n光电二极管的上升和下降时间分别为≈250 µs和≈280 µs，远远短于其他结构的MoS2光电探测器和其他方法制备的MoS2 p-n结光电探测器。
总结与展望
本文通过离子栅控和接触工程实现了MoS2器件中p-n结到肖特基结的可控切换。利用SPCL图像可视化了内建电场的位置、大小和方向。在不同栅控电压下，Pd/MoS2界面处形成肖特基结，p型/n型MoS2界面处形成p-n结。该器件具有独特的结构，在肖特基结模式和p-n结模式下均具有良好的整流性能，电流开/关比均超过106，以及优异的光电性质。当工作在p-n结模式时，器件的开路电压高达0.84 V，响应率恒定为0.24 A/W，比探测率为1011，LDR高达91 dB。此外，该器件在p-n结和肖特基结模式下的响应时间分别短至250 µs和232 µs。通过比较单器件中p-n结和肖特基结模式的光电性能，揭示了影响MoS2光电性能的关键因素。本研究为2D材料半导体结提供了新的物理见解。
文献信息
Controllable Switching between Highly Rectifying Schottky and p-n Junctions in an Ionic MoS2 Device
(Adv. Funct. Mater., 2023, DOI:10.1002/adfm.202301010)
文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202301010
转自：“i学术i科研”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
