二維WSe2 場(chǎng)效應(yīng)晶體管光電性能

夏風(fēng)梁， 石凱熙， 趙東旭， 王云鵬， 范 翊， 李金華*

(1． 長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130022；2． 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130033)

1 引 言

光電探測(cè)器在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，主要用于射線測(cè)量、光度計(jì)量等。作為溝道材料，過(guò)渡金屬硫族化合物(TMDs)由于在電子學(xué)、光子學(xué)中的潛在應(yīng)用，引起了學(xué)者們極大的研究興趣。TMDs 材料具有天然帶隙(1～2 eV)，并且當(dāng)TMDs材料從體材料厚度減少至原子層級(jí)厚度時(shí)，由于層與層之間的耦合作用和量子限域效應(yīng)其帶隙寬度會(huì)逐漸變大[1]，從而改變光譜探測(cè)范圍。

對(duì)于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，p型摻雜一直是研究的瓶頸，在實(shí)際應(yīng)用中存在很多難題[2]。而二硒化鎢(WSe2)是一種間接帶隙約為1.2 eV的半導(dǎo)體材料，與大多數(shù)半導(dǎo)體材料不同，WSe2可以實(shí)現(xiàn)雙極性輸運(yùn)，即電子主導(dǎo)和空穴主導(dǎo)的兩種輸運(yùn)行為[3]。WSe2不僅具有高遷移率、高開關(guān)比的優(yōu)異性能，可以應(yīng)用于p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管；而且它還具有優(yōu)越的光學(xué)特性使其成為光電應(yīng)用的候選材料[4]，其光電探測(cè)器的光響應(yīng)度在可見光范圍內(nèi)為10-1～105A/ W，響應(yīng)時(shí)間從毫秒到秒[5]。傳統(tǒng)WSe2場(chǎng)效應(yīng)晶體管的常規(guī)制備方法是將金屬電極材料蒸鍍?cè)诙S材料表面，然后通過(guò)電子束光刻將電極材料刻成固定形狀電極。受材料表面特性、電子束光刻深度等器件制備工藝的影響，很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)器件的高響應(yīng)度及快速的響應(yīng)速度。例如，WSe2場(chǎng)效應(yīng)晶體管當(dāng)響應(yīng)度較高時(shí)，響應(yīng)時(shí)間卻很長(zhǎng)；而當(dāng)響應(yīng)時(shí)間很短時(shí)，響應(yīng)度卻很低[6]。

研究綜合性能較高的WSe2場(chǎng)效應(yīng)晶體管，使其能更廣泛地應(yīng)用于光電探測(cè)領(lǐng)域是十分重要的。本研究中采用二維材料定點(diǎn)轉(zhuǎn)移法，利用范德華力將WSe2二維材料轉(zhuǎn)移到溝道為3 μm的Au叉指電極表面。器件的響應(yīng)度為0.61 A/W，響應(yīng)時(shí)間為1 900 ms。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品制備

WSe2二維材料：首先使用3M膠帶從本體晶體(SPI材料)剝離部分體材料，再使用藍(lán)膜在3M膠帶上粘取WSe2體材料，然后反復(fù)對(duì)折藍(lán)膜，破壞層間的范德華力，最終得到WSe2二維材料。再置于氧化層厚度300 nm的SiO2/Si襯底上,在烘箱中60 ℃烘干20 min，待樣品冷卻至室溫后撕下藍(lán)膜。

WSe2場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)：將剝離的二維材料采用二維材料定點(diǎn)轉(zhuǎn)移法轉(zhuǎn)移到Au電極上。

背柵電極：在SiO2/Si襯底Si的一面涂覆導(dǎo)電銀漿，并將其壓在一塊ITO襯底上，最后將背柵電極用銀漿引出。

2.2 樣品表征

XRD圖譜測(cè)試使用的是Bruker axs D8 Focus X射線衍射儀，電壓為40 kV。拉曼光譜和PL光譜測(cè)量使用的是LabRAM HR E拉曼系統(tǒng)，激發(fā)波長(zhǎng)為532 nm，激光積分時(shí)間為10 s，積分次數(shù)為3次，設(shè)備的精度為0.8 cm-1，光柵為2 500 g/mm。電學(xué)性能測(cè)量使用的儀器為Keysight B1500A。光響應(yīng)測(cè)試選用氙燈作為激發(fā)光源的光譜響應(yīng)系統(tǒng)，測(cè)試WSe2光電探測(cè)器在300～800 nm的光譜選擇特性。

3 結(jié)果與討論

3.1 WSe2的結(jié)構(gòu)及形貌表征

由圖1(a)中可以看到剝離下的材料主要分為兩種顏色：白色和紫色(藍(lán)色為藍(lán)膜殘余)。二維材料體系中，根據(jù)層數(shù)一般定義2～5層為少層、6～10層為多層。通常二維材料可以通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察剝離的WSe2材料的顏色初步判斷材料的層數(shù)規(guī)模。較亮的白色材料為多層或體材料WSe2，而紫色材料為少層WSe2二維材料。掃描電鏡結(jié)果(圖1(b))顯示少層WSe2二維材料寬度約為5 μm。

圖1 少層WSe2光學(xué)顯微鏡圖像(a)及掃描電鏡圖像(b)

通過(guò)原子力顯微鏡測(cè)量結(jié)果可以觀察到WSe2形貌，其表面較均勻，并結(jié)合材料高度剖面圖計(jì)算出材料與襯底間的厚度差為1.97 nm(圖2(a))。理論計(jì)算單層材料厚度為0.64 nm，可以判斷出制備的WSe2二維材料厚度為3層。 X射線衍射圖(圖2(b))顯示，其與六方晶系WSe2的PDF(#87-2418)標(biāo)準(zhǔn)卡特征峰高度一致，無(wú)多余雜峰，且半高寬較窄，可以看出剝離的WSe2二維材料結(jié)晶質(zhì)量非常好，缺陷較少。

圖2 WSe2二維材料的原子力顯微鏡圖(a)、XRD圖譜(b)及拉曼光譜(c)。

3.2 WSe2的光學(xué)特性

單層WSe2發(fā)光峰位于755 nm附近，而剝離的WSe2發(fā)光峰位于890 nm附近(圖3)，這是由于隨著層數(shù)增加，層間耦合作用增大。并且層間的間接躍遷相對(duì)于直接躍遷占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。直接躍遷峰在雙層、三層中不明顯，從而引起峰位紅移，這很好地解釋了體材料發(fā)光特性是間接躍遷，而單層的是直接躍遷[8]。所以隨著層數(shù)的減少，WSe2薄膜的光學(xué)帶隙變大。

圖3 WSe2二維材料的PL光譜

3.3 WSe2的電學(xué)特性

WSe2場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)模型圖如圖4(a)、實(shí)物圖如圖4(b)，其中使用的WSe2溝道材料寬度約為3 μm。通過(guò)觀察 Au-WSe2-Au的I-V曲線(圖4(c))的斜率可以判斷WSe2與Au電極的接觸受肖特基勢(shì)壘影響較小。

輸出特性曲線(圖5(a))是指FET在特定的柵壓(Vgs)下，源漏電流(Ids)隨源漏電壓(Vds)的變化情況，即Ids-Vds關(guān)系曲線，輸出特性曲線可以反映出 FET中溝道材料與器件電極材料的接觸情況及柵壓對(duì)器件的控制情況[9]。轉(zhuǎn)移特性曲線則是指特定的漏極電壓下，器件的源漏電流隨柵極電壓的變化情況，即Ids-Vgs關(guān)系曲線[10]。場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件中最重要的參數(shù)就是載流子遷移率，其反映了電場(chǎng)作用下的電子(或空穴)在半導(dǎo)體中的遷移能力，即導(dǎo)電能力。其可以通過(guò)轉(zhuǎn)移特性曲線(Ids-Vg)計(jì)算出來(lái)，計(jì)算公式為：

圖4 WSe2 FET模型圖(a)、實(shí)物圖(b)及Au-WSe2-Au的I-V曲線(c)。

(1)

本實(shí)驗(yàn)中溝道長(zhǎng)度L=1.8 μm；寬度W=3 μm；Vd=0.5 V；gm為轉(zhuǎn)移曲線斜率(圖5(b))，表示柵極電壓對(duì)于源漏電流的控制強(qiáng)弱。柵極絕緣層C0=εε0/h，其中ε0為真空介電常數(shù)8.85×10-12F/m，ε為SiO2相對(duì)介電常數(shù)3.9，h為SiO2厚度300 nm。代入以上數(shù)據(jù)，計(jì)算出WSe2場(chǎng)效應(yīng)晶體管載流子遷移率為3.42 cm2/(V·s)。根據(jù)轉(zhuǎn)移曲線(圖5(c))可以觀察出器件的開關(guān)比為106。

圖5 WSe2 FET輸出曲線(a)、轉(zhuǎn)移曲線(b)及對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)移曲線(c)。

3.4 WSe2的光電性能

WSe2FET光電探測(cè)器的一個(gè)重要參數(shù)是響應(yīng)度R，即探測(cè)器在光照下產(chǎn)生的光電流與入射光光功率的比值，它反映出器件的光電轉(zhuǎn)換能力，單位為A/W(或mA/W)。計(jì)算公式為:

(2)

其中Iillum和Idark分別為器件在光照下和無(wú)光照時(shí)的電流值，Iph為光生電流值，入射光功率Pinc等于入射光強(qiáng)度Einc與器件有效工作面積A的乘積[11]。圖6(a)為器件光電流曲線，經(jīng)過(guò)計(jì)算，我們得出三層WSe2薄膜光電晶體管光響應(yīng)度隨光照功率的變化曲線，如圖6(b)所示。

對(duì)器件在1 mW光照功率照射下、不同柵壓調(diào)制下的輸出特性曲線變化情況進(jìn)行測(cè)試對(duì)比分析，如圖7(a)所示。由圖中可以獲得器件的漏極電流Ids隨柵極電壓的變化情況，進(jìn)而通過(guò)公式(2)計(jì)算出在特定光照功率下器件的光響應(yīng)度隨柵壓的變化情況，如圖7(b)所示。器件響應(yīng)時(shí)間主要由溝道材料及光照強(qiáng)度決定。在不改變光照強(qiáng)度及所加源漏電壓強(qiáng)度下，器件的光響應(yīng)時(shí)間基本沒(méi)有變化；而器件光響應(yīng)度隨著柵極電壓的增大接近線性增長(zhǎng)。實(shí)現(xiàn)了在不犧牲器件響應(yīng)時(shí)間的前提下提高器件的光響應(yīng)度。

圖6 不同光照功率下WSe2 FET輸出特性曲線(a)及光響應(yīng)度隨光照功率變化曲線(b)

圖7 1 mW光照下不同柵極電壓WSe2 FET輸出特性曲線(a)及光響應(yīng)度隨柵極電壓變化曲線(b)

選用氙燈為激發(fā)光源測(cè)試了300～800 nm探測(cè)器的光譜探測(cè)范圍。從響應(yīng)譜(圖8)可以看出，探測(cè)器的響應(yīng)度在650 nm波長(zhǎng)下為0.61 A/W,響應(yīng)波段為450～800 nm，具有可見光區(qū)段及近紅外區(qū)段的寬光譜響應(yīng)范圍。

圖8 WSe2光電探測(cè)器響應(yīng)譜

圖9為WSe2薄膜光電探測(cè)器在532激光(5 mW)照射下的開關(guān)特性測(cè)試曲線。測(cè)試結(jié)果顯示，器件的光響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間為1 900 ms。由于制備的FET所選用的溝道材料為間接帶隙的少層WSe2薄膜，相比于直接帶隙的單層材料，其光電流的產(chǎn)生及衰減所用的時(shí)間有所增長(zhǎng)[12]。

圖9 WSe2光電探測(cè)器開關(guān)性能

表1 WSe2場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能對(duì)比

4 結(jié) 論

本研究采用定點(diǎn)轉(zhuǎn)移方法制備了基于三層WSe2具有背柵電極的光電晶體管，探究了柵極電壓調(diào)控下WSe2場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電學(xué)性能變化及光響應(yīng)度的變化。其載流子遷移率為3.42 cm2/(V·s)。研究了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的光電探測(cè)響應(yīng)度、開關(guān)性能及光譜探測(cè)范圍。綜合性能更高的WSe2場(chǎng)效應(yīng)晶體管有望在可見光波段及近紅外波段光電探測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。