基于WSe2/GaAs的異質(zhì)結(jié)光電探測器的研究

李明，陳博瀚，何秀冬，方昶月

（合肥工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院，安徽合肥，230009）

0 引言

由于其優(yōu)異的光電性能，二維TMD 材料在光電子器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。[1][2]其中WSe2半導(dǎo)體層中原子通過共價(jià)鍵連接，而相鄰的層間通過范德華力弱地結(jié)合在一起，光吸收系數(shù)高，且遷移率可達(dá)350cm2/Vs。[3,4]但目前關(guān)于其的研究主要限于光電化學(xué)，光伏太陽能電池，干潤滑劑，催化劑及氫演化反應(yīng)，對其光電探測性能的研究很少。本文設(shè)計(jì)了一種基于二維層狀材料WSe2/GaAs 異質(zhì)結(jié)光電探測器，利用WSe2材料的高吸收系數(shù)特點(diǎn)，以提高器件的光電轉(zhuǎn)化效率。該器件具有自驅(qū)動(dòng)性能，零偏壓下開關(guān)比可達(dá)16.6×104，同時(shí)性能穩(wěn)定，響應(yīng)速度為毫秒量級。

1 器件制備及表征

首先把n 型輕摻SiO2/Si (電阻率1-10 Ω·cm，厚度500 μm)作為襯底，依次用丙酮、無水乙醇和去離子水各超聲清洗15 分鐘。之后用氮?dú)獯蹈刹⑴cW 靶材(99.99%)一起放入磁控濺射設(shè)備中濺射W 薄膜。靶材與基材之間的距離為5cm，靶直徑為60mm，厚度為5mm。濺射室中的真空被抽至4.1×10-4Pa。然后在1Pa 的工作氣壓下以70W 的濺射功率將鎢靶預(yù)濺射5 分鐘再進(jìn)行濺射。濺射氣氛僅為氬氣（Ar2，99.99%），并且Ar2流量定為30sccm。

硒化具體過程為：將有蒸鍍W 薄膜SiO2/Si 的襯底放置在 CVD 管式爐的中心區(qū)域；稱取定量的硒粉（99.99%）放置在管式爐上游。在向爐內(nèi)充入保護(hù)蒸汽（Ar299.999%）之前，將其真空抽至1.0Pa。重復(fù)該過程三次，以除去真空系統(tǒng)中的殘留氧氣。最后，通入氬氣，直到蒸氣壓達(dá)到平衡。將管式爐升溫至600°C，然后在這個(gè)溫度保持30 分鐘。同時(shí)硒粉蒸發(fā)產(chǎn)生Se 蒸汽，在氬氣中傳輸至W 膜與之反應(yīng)；反應(yīng)結(jié)束后在有流動(dòng)的氬氣氛圍的環(huán)境中自然降溫。最后在襯底上得到了較純的WSe2薄膜。

GaAs 襯底的清洗方法與SiO2/Si 襯底相同。然后將清洗后的GaAs 襯底放入電子束沉積室中，并在其未拋光面沉積30nm Au 金屬層作為底部接觸電極。之后再旋涂一層薄PDMS在GaAs 襯底的拋光面作為絕緣層，并在加熱固化后的PDMS層上刻出一方形小孔，以便后續(xù)把WSe2薄膜轉(zhuǎn)移到上面。在硒化后的WSe2薄膜上面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），然后將其浸入NaOH 溶液中去除底層的SiO2/Si，并用去離子水沖洗以去除殘留刻蝕液。接下來，將撈起的WSe2薄膜轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底上，并加熱基板以將WSe2/PMMA 緊密地黏合到基板上。最后，在用丙酮除去PMMA 之后，將一層多層石墨烯轉(zhuǎn)移到WSe2層上，并在石墨烯上面用銀漿做頂電極。

通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）對WSe2薄膜的形貌和成分進(jìn)行了表征和分析，同時(shí)通過X 射線衍射儀和顯微共焦激光拉曼光譜儀對WSe2薄膜的成分進(jìn)行了相關(guān)研究。此外，采用2400 半導(dǎo)體參數(shù)測試系統(tǒng)（Keithley DZS-500）對所構(gòu)建器件的電學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)測試。

2 結(jié)果與討論

圖1(a)給出了硒化WSe2薄膜的掃描電子顯微鏡SEM 圖像，可以發(fā)現(xiàn)WSe2的表面平整且連續(xù)。WSe2的化學(xué)成分通過能量色散X 射線能譜（EDS）得以證實(shí)，其中W：Se 的原子比大約確定為1：1.6，如圖1(b)所示。由于襯底是有300 nm SiO2的n-Si 襯底，所以EDS 能譜中含有Si 與O 的元素，其中金元素來源于掃描電鏡制樣噴金過程。

圖1 （a）WSe2 薄膜的SEM 圖與（b）EDS 圖譜

圖2a 給出了WSe2薄膜的X 射線衍射（XRD）圖譜。經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)卡片庫對比可知，獲得的主峰都與WSe2（編號38-1388）卡片上的主要峰位相對應(yīng)。且 WSe2薄膜顯示出明顯的（002）優(yōu)先取向，樣品中沒有明顯的雜質(zhì)峰，表明具有高度c 軸取向和單晶性質(zhì)的WSe2薄膜已經(jīng)合成。圖2b 顯示了WSe2薄膜的拉曼光譜，在～250 和～258cm-1處分別出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的衍射峰，確認(rèn)了這兩個(gè)強(qiáng)峰值來自WSe2中的E2g和A1g晶格振動(dòng)模式。[5]數(shù)據(jù)表明我們合成出了純凈的WSe2薄膜，保證了后續(xù)電學(xué)測試數(shù)據(jù)的可靠性。

圖2 （a）WSe2 薄膜的X 射線衍射圖譜與（b）拉曼光譜

光電探測器的結(jié)構(gòu)主要由WSe2薄膜膜和n 型GaAs 襯底構(gòu)成，光照下的器件結(jié)構(gòu)示意如圖3a 所示。接下來用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀在室溫下對器件進(jìn)行了測試。圖3b 顯示了在黑暗中測量的WSe2/GaAs 異質(zhì)結(jié)器件的電流-電壓（I-V）曲線（插圖為對數(shù)坐標(biāo)下的I-V 特性曲線），可以看出WSe2薄膜與GaAs 襯底形成了良好的PN 結(jié)。同時(shí)，在±2V 偏壓下器件表現(xiàn)出～7.5 的明顯整流效應(yīng)。其整流比較低的原因是由于薄膜缺陷較多而引起的漏電流過大造成的。這樣的整流特性應(yīng)來自WSe2/GaAs 界面。[6]

圖3 （a）光照下的WSe2/GaAs 異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)示意圖（b）暗場下器件的I-V 特性曲線

此外，WSe2/GaAs 異質(zhì)結(jié)器件在光照下還具有一定的光伏效應(yīng)，如圖4a 為WSe2/GaAs 異質(zhì)結(jié)器件在暗場下和波長為808nm（強(qiáng)度為0.5mW/cm2）光照下的I-V 特性曲線，可以看出器件在此照射條件下表現(xiàn)出明顯的光伏效應(yīng)，其開路電壓為0.22V，短路電流為0.95μA。器件的光電行為可以用圖4b 中的能帶圖來解釋。當(dāng)P 型的WSe2與N 型GaAs 接觸并達(dá)到熱平衡的時(shí)候，由于功函數(shù)的不同會(huì)造成能帶彎曲從而形成內(nèi)建電場。此時(shí)給器件加上能量大于帶隙且波長合適的光照，在結(jié)區(qū)中會(huì)產(chǎn)生光生電子-空穴對并在內(nèi)建電場的作用下迅速分離，之后會(huì)同時(shí)朝相反的方向運(yùn)動(dòng)從而形成光電流。

圖4 （a）器件在黑暗條件下與在波長為808nm（0.5mW/cm2）光照下的I-V 特性曲線 (b) WSe2/GaAs 能帶圖

圖5a 顯示了WSe2/GaAs 異質(zhì)結(jié)器件在波長為808nm光照下的I-T 特性，其光強(qiáng)的強(qiáng)度范圍為0.08mW/cm2至140.9mW/cm2?？梢园l(fā)現(xiàn)，光電流隨著入射光強(qiáng)度的增加而逐漸增加，這是由于在較高強(qiáng)度的光照下激發(fā)的電荷載流子的數(shù)量增加了。圖5b 給出了在波長為808nm、不同光強(qiáng)照射下的I-V 特性曲線，也觀察到了類似的現(xiàn)象，異質(zhì)結(jié)器件的光伏行為也高度依賴于入射光強(qiáng)度。

圖5 （a）WSe2/GaAs 異質(zhì)結(jié)器件在0V 偏壓下、波長為808nm 光強(qiáng)度不同的I-T 與（b）I-V 曲線

圖6a 給出了WSe2/GaAs 異質(zhì)結(jié)器件在波長為808nm、強(qiáng)度為0.3mWcm-2光照下的I-T 特性曲線。顯然，異質(zhì)結(jié)在光照下產(chǎn)生了明顯的光生電流。開關(guān)比穩(wěn)定且可重復(fù)，為2.8×103。實(shí)際上，施加在異質(zhì)結(jié)器件上的偏壓也會(huì)影響光電流。圖6b 為該器件在不同偏壓下的電流時(shí)間曲線，可以看出器件的光電流隨著所加偏壓的增大而增大。隨著偏壓從-0.05V 增加到-1V，器件的光電流6.3×10-4增加到1.72μA。這是因?yàn)殡S著反向偏壓的增加，器件的耗盡區(qū)會(huì)被拓寬，從而能分離光生電子-空穴對的能力也會(huì)增強(qiáng)，導(dǎo)致更大的電流。

圖6 （a）器件在波長為808nm 光照（0.3mW/cm2）下的光響應(yīng) (b) WSe2 /n-GaAs 器件在808nm 照明（0.3mW/cm2）下的不同偏壓下的光響應(yīng)

進(jìn)一步的器件性能分析發(fā)現(xiàn)，器件的光暗電流比值（Ilight/Idark）隨著入射光強(qiáng)的增加而增加。具體來說，當(dāng)光強(qiáng)高達(dá)121mW cm-2時(shí)，它可以達(dá)到16.6×104，如圖7a 所示。本器件的線性度（θ=0.4）偏離1 的原因可以歸因于由WSe2膜中的缺陷引起的陷阱態(tài)。[7]隨著光強(qiáng)度的增加，被光激發(fā)的電荷載流子將被填充到缺陷中，從而導(dǎo)致光電流飽和，這也是光電流線條變平緩的原因。為了獲取WSe2/n-GaAs 器件的響應(yīng)速度，圖7b 中給出了5kHz 頻率下的單個(gè)放大周期，其中估算了上升時(shí)間（tr）和下降時(shí)間（tf）分別約為0.019ms 和0.086ms。這種相對較快的響應(yīng)速度原因是由于可以快速分離電子-空穴對的WSe2/n-GaAs 接觸界面造成的。

圖7 （a）不同光強(qiáng)度下開關(guān)比與光強(qiáng)度與光電流之間的關(guān)系（b）5kHz 頻率的單一放大光響應(yīng)時(shí)間曲線

為了測試WSe2/GaAs 異質(zhì)結(jié)光電器件的穩(wěn)定性，我們對其進(jìn)行了重復(fù)性測試（如圖8 所示）。對器件進(jìn)行了100 次的循環(huán)操作后，通過對比初始值和后期值，發(fā)現(xiàn)沒有明顯的變化。因此，我們的WSe2/GaAs 異質(zhì)結(jié)器件具有優(yōu)秀的可重復(fù)性。

圖8 對器件進(jìn)行100 個(gè)周期的測試

3 結(jié)論

通過磁控濺射和CVD 硒化的方法制備了高純的WSe2薄膜，并對薄膜形貌和成分進(jìn)行了表征，之后通過濕法轉(zhuǎn)移的方法構(gòu)建了WSe2/GaAs 異質(zhì)結(jié)光電探測器。該器件在波長為808nm 的光照下具有16.6×104的大開關(guān)比，并且擁有較快的響應(yīng)速度，可在保持穩(wěn)定性的前提下長時(shí)間工作。本研究證實(shí)了WSe2應(yīng)用于光電探測器的可行性，對以后其他二維材料應(yīng)用于光電子器件的研究具有一定的指導(dǎo)意義。