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在玻璃上构建低功耗和超薄MoS2的光电探测器

发布:Iris1602    |    2020-11-15 03:35    阅读:520
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在玻璃上构建低功耗和超薄MoS2的光电探测器

宾夕法尼亚州立大学Saptarshi Das等报道了在较低温度(<600 ℃)中气相沉积法制备原子层厚度二硫化钼(MoS2)材料,通过原子层沉积法沉积~20 nm 氧化铝(Al2O3)作为顶栅极电介质,构建了低功耗光电晶体管,克服了MoS2惰性基面上通过ALD沉积氧化物的困难,构建的MoS2光探测器实现了对低强度可见光的高速测试,能量消耗仅仅~100 pico Joules。

图1,描绘了二硫化钼在大猩猩玻璃上的生长过程,这一过程将普通玻璃转变为光电探测器。

光电探测器为现代生活的便利做出了巨大贡献,也称为光电传感器,将光能转换为电信号,然后完成诸如打开自动滑门以及在不同照明条件下自动调节手机屏幕亮度之类的任务。

在玻璃基板上开发具有成本效益,面积效率高,高性能,超低功耗,轻便和透明的光电探测器,对下一代制造,基础设施,能源,医疗保健,运输,太空旅行和众多商业用途具有广阔的前景应用程序。集成了光电探测器的智能眼镜可用于生物医学成像,安全监控,环境传感,光通信,夜视,运动检测以及自动驾驶汽车和机器人的防撞系统。此外,使这些光电探测器具有超低功耗的特性,可以将其部署在资源匮乏且交通不便的地方,这些地方缺乏连续的电能来源。然而,因为热预算较低,在玻璃上直接生长高性能、可扩展和可靠的电子材料非常有难度。同样,在玻璃上开发节能的电子和光电设备需要制造业的创新,因此在玻璃上发展节能的电子学、光电器件需要创造性的制备过程方案。

尽管基于ZnO纳米线的紫外(UV)光电探测器和基于SnS纳米薄片的近红外(NIR)光电探测器由于其高的光敏性,低温生长和良好的稳定性已显示出与玻璃集成的希望,但这些光电探测器耗电,区域效率低下,速度受限。最近,层状二维(2D)范德华材料,特别是通式为MX2的半导体过渡金属二卤化金属(TMDCs),其中M代表过渡金属(例如Mo,W等),X代表硫族元素(S,Se和Te),由于在单分子层的限制下从间接到直接的带隙跃迁而成为实现超薄和超灵敏光电探测器的诱人之选。此外,TMDC的超薄体特性允许对其能带进行有效的静电控制,这是实现低功率光电器件的关键。同时,其原子厚度还确保光学透明性和机械柔韧性。最后,TMDC提供高载流子迁移率,大的开/关电流比,低的接触电阻,积极的沟道长度可扩展性和温度稳定性,这些对于高性能光电探测器设计同样重要。

这里,研究人员在低温(600°C)下,通过碱辅助(NaCl)的金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺,在康宁大猩猩玻璃(GG)上大面积、整体生长单层和双层MoS,并使用薄的,高k,ALD-Al2O3(∼20nm)作为顶部栅介质,制造了顶栅光电晶体管,实现l低压(VDD <5 V )和低功耗设备操作。

研究人员在1cm2的基板上显示出了一致的器件性能和光响应。虽然大多数报告MoS2光响应的研究都是基于激光激发,但这里他们采用绿色发光二极管(LED)照明(515-520 nm)来模拟低强度的实际光源。光电转导机制包括MoS2通道中的光生以及由于MoS2 / Al2O3界面处的界面陷阱而引起的光闸效应。这种超薄(<2 nm厚)MoS2光电探测器的能量消耗低至约100皮焦耳。

图2,在康宁大猩猩玻璃(GG)上制造MoS2薄膜晶体管(TFT)的步骤。

该制造MoS2薄膜晶体管(TFT)的制作过程为:(a)在1 cm2的GG衬底上生长MoS2膜。 (b)分别使用标准电子束光刻和反应离子刻蚀(RIE)工艺对MoS2膜进行构图和刻蚀。(c)40 nm Ni / 30 nm Au金属叠层用作源电极/漏电极,采用电子束将源电极/漏电极图案化,然后使用电子束蒸发(Temescal FC-2000)将源极/漏极的触点蒸发。(d)将大约1-2 nm厚的铝(Al)晶种层在空气中蒸发并氧化,形成亚化学计量的AlxOy,在原子层沉积(ALD)之前用作成核源。(e)在150°C下沉积约20 nm的ALD Al2O3。 (f)源极/漏极金属焊盘上的氧化膜在BCl3 / Cl2中蚀刻45 s。 (g)对顶栅触点进行构图并蒸发。 40 nm Ni / 30 nm Au金属叠层用作顶栅电极。(h)装置示意图和(i)多通道结构的光学图像,通道长度为1~4μm,通道宽度为5μm。

发现表明,该研究有望实现基于MoS2的节能二维玻璃电子技术。同时,他们称,如果将该技术商业化开发,智能玻璃将带动包括制造业,民用基础设施,能源,医疗保健,运输和航空航天工程在内的广泛行业的技术进步。该技术可应用于自动驾驶汽车和机器人的生物医学成像,安全监控,环境传感,光通信,夜视,运动检测和避免碰撞系统。

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