二維MoS2/WSe2異質結的光電性能研究

皇甫路遙，戴夢德，南海燕，顧曉峰，肖少慶

(江南大學電子工程系，物聯網技術應用教育部工程研究中心，無錫 214122)

0 引 言

過渡金屬硫族化物(TMD)作為一種新型的二維層狀材料，其層與層之間通過范德華力結合而成。相比于其他塊狀材料，這些獨特的二維材料具有優異的電學性質、光學特性以及機械強度等。和傳統的硅基器件相比，二維材料光電器件為滿足日益增長的電子市場需求提供了新的思路，可廣泛應用于光電子器件、集成電路以及電化學等科技領域[1-6]。

二硫化鉬(MoS2)屬于典型的過渡金屬硫族層間化合物，由單層到多層對應著直接帶隙向間接帶隙的轉變，在可見光波長范圍內具有卓越的光電探測能力[7-9]。室溫下單層MoS2場效應晶體管(FET)的電流開關比可達108[10]，有效電子遷移率可達700 cm2/(V·s)[6,11]。在穩定狀態下耗能比傳統硅晶體管小十萬倍，其光響應特性也遠優于石墨烯器件[12]，已廣泛應用于柔性光電探測器、鋰電池電極[13]等領域。

二硒化鎢(WSe2)是一種可以實現電子空穴雙極輸運的間接帶隙半導體材料[14]。WSe2由于具有較高的開關比，較高的遷移率和卓越的光學特性等優點使其成為制作光探測器等光電器件的優秀材料[15-16]。WSe2場效應晶體管的光響應時間可達到毫秒級別，在可見波長區域內響應度范圍在10-1～105A/W[17]。

雖然MoS2/WSe2異質結結構具有優異的物理性能，比如響應快、響應范圍寬和光電轉換效率高等[18-20]，但科研人員對實際應用的光電器件的研究還很有限。本文采用機械剝離干法轉移制備了高質量且均勻的MoS2/WSe2垂直異質結，并制成場效應晶體管分別研究了其光學和電學性能，表明MoS2/WSe2異質結構可以作為高性能光電探測器合適的溝道材料。

1 實 驗

1.1 襯底的清洗

把切好的帶有300 nm SiO2的 p++硅片放進燒杯，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，去除表面有機物和雜質。然后用干燥的N2吹去表面殘余的水分，即可使用。

1.2 樣品的剝離與異質結的干法轉移

用藍膠粘取塊體的MoS2和WSe2材料，不斷對撕達到理想厚度，將其貼在準備好的 PDMS(聚二甲基硅氧烷：一種疏水類的有機硅柔性襯底)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移平臺下將PDMS透明襯底上的MoS2與目標硅片上的WSe2樣品面對面進行精確定位對準并貼合，范德華異質結的形成依靠的是轉移材料之間更強的粘附力，該方法便捷且環保，與濕法轉移相比可有效避免殘留的化學試劑對樣品的污染，已被證明是廣泛應用的人工堆疊異質結的重要制備方法，在其他文獻中也有詳細的報道[21]。

1.3 器件制備與電學表征

MoS2/WSe2場效應晶體管的源漏電極采用80 nm的Au電極，由DZS-BRY450 蒸鍍機熱蒸鍍制備而成，然后通過探針轉移法，分別將其轉移到MoS2和WSe2的兩端，介質層為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試了MoS2/WSe2FET的光電特性。使用的大光斑激光器型號為RL 532C50系列，激光功率通過調整激光器電流控制。在所有測試過程中，光斑為直徑1 cm的圓。

2 結果與討論

2.1 MoS2/WSe2異質結的拉曼熒光特性

通過機械剝離干法轉移在SiO2/Si襯底上得到了高質量均勻的MoS2/WSe2異質結。如圖1(a)、(b)所示分別為基于MoS2/WSe2范德華異質結的光學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結在垂直方向的通道中包含了大約24層。圖2為異質結樣品三個不同位置的拉曼和熒光光譜，激發波長為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處表現出強烈的熒光峰，由于在異質結區域發生了電荷轉移，所以在重疊區域的MoS2熒光信號有所降低，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處有一個強峰，在371 cm-1和392 cm-1處有兩個弱峰，此外MoS2與WSe2重疊的異質結區域的拉曼光譜同時體現出了MoS2和WSe2的特征峰，且MoS2的峰強降低，這可以歸因于MoS2和WSe2的強界面耦合產生電荷轉移，從而導致拉曼峰的降低[23]，因此通過拉曼光譜和熒光光譜可以進一步證明垂直異質結的形成良好。

圖1 二維MoS2/WSe2異質結：(a)光鏡圖和(b)AFM照片Fig.1 Two-dimensional MoS2/WSe2 heterojunction: (a) light mirror image and (b) AFM image

圖2 (a)MoS2、(b)WSe2、(c)MoS2/WSe2異質結拉曼光譜；(d)MoS2、(e)WSe2、(f)MoS2/WSe2異質結熒光光譜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異質結的輸出特性

相對于MoS2/WS2形成的nn結，因為WSe2為p型導電，所以形成的MoS2/WSe2為 pn結，具有更強的內建電場。圖3(a)、(b)分別為該異質結器件在0柵壓下的輸出線性和取半對數曲線，在所有電學測試中，都使用相同的掃描條件和柵壓范圍，以便對不同的器件進行適當的橫向比較，從圖中可以看出該異質結器件具有明顯的整流效果，其原因是兩種不同帶隙的半導體在接觸界面形成了較大的能帶偏移，形成Ⅱ型帶對，所以導致明顯的整流效果[24]。從圖3(b)不難計算出，在Vds=-1/+1時的最大整流比約為73.04，如此高的整流比是由于空穴和電子傳導分支的強烈不對稱性。

圖3 MoS2/WSe2異質結器件的輸出(a)線性和(b)取半對數曲線Fig.3 Ids-Vds characteristics of the MoS2/WSe2 FETs in (a)linear and (b)semilog scales

2.3 520 nm激光照射下異質結的光電特性

MoS2/WSe2異質結器件在520 nm激光不同功率激發下的自驅動時間分辨光電流曲線如圖4(a)所示，通過斬波器實現激光的開關循環，可觀察到該器件具有良好且穩定的開關特性，即當半導體材料吸收大于其帶隙的光子能量，在導帶和價帶上生成電子空穴對，由于結區較大的內建電勢，使光生載流子有效分離，因此在沒有外部偏置和門電壓的情況下也能形成較大的光電流。光照時的器件結構示意圖如圖5(a)所示，MoS2在上，WSe2在下，當聚焦激光束入射到異質結上時，WSe2中的電子轉移到MoS2上，而MoS2中的空穴轉移到WSe2上，其能帶示意圖如圖5(b)所示。隨著光照強度的增加，光激發載流子的數量增加，有效地被WSe2和MoS2的空間電荷區分開。因此，光電流的大小隨入射功率的增大而增大，同時由于熱激發和漫反射等因素其響應度降低[25]。響應度(R)的計算公式如下：

(1)

式中：S1為直徑約1 cm的圓，S2為邊長約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激光功率激發下響應度最高為2.12×103A/W，對應的光電流和探測率分別為1.48×10-8A和2.33×1011Jones，見圖4(b)、(c)。探測率D的公式如下：

(2)

式中：R為該器件的響應度，e為元電荷的數值，其值為1.6×10-19，Idark為暗電流，通過上述公式可以得到，探測率和響應度類似，均隨入射光功率的減小而增加。此外，通過對比發現該異質結器件在不同功率的光激發下其響應時間無明顯變化，上升時間τrise約為40 ms，下降時間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曲線；(b)響應度與光電流隨入射光功率的函數曲線圖；(c)探測率與 入射光功率的對數曲線圖；(d)單周期光響應曲線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異質結器件示意圖;(b)光照下能帶結構示意圖Fig.5 (a) Schematic diagram of MoS2/WSe2 heterojunction device; (b) schematic diagram of energy band structure under illumination

3 結 論

本文通過機械剝離干法轉移制備了MoS2/WSe2垂直異質結，采用拉曼熒光光譜和AFM對其表征，證明了異質結的質量形成良好。由于pn結具有較強的內建電場，該器件的輸出具有明顯的整流特性，整流比約為73.04。對于可見光表現出穩定且良好的光電探測能力，在520 nm激光波長，功率P=1.37 μW的光激發下，對應的光電流為1.48×10-8A，由上述公式計算響應度和探測率可高達到2.12×103A/W和2.33×1011Jones，此外MoS2/WSe2異質結的響應時間約為40 ms，遠遠小于MoS2本身的響應時間。本項工作對于范德華異質結光電器件的研究起到了一定的促進作用。