黑磷-二硫化钼异质结光电流特性的研究

王潇雅，葛飞洋，南海燕，肖少庆

(江南大学电子工程系，物联网技术应用教育部工程研究中心，无锡 214122)

1 引 言

鉴于此，本文利用机械剥离法制备了多层的n型MoS2和p型BP，利用干法转移构筑垂直异质结，通过转移电极的方法制备成器件，研究了该器件在不同波长激光下的响应，发现其在近红外区域有着较明显的响应。同时由于MoS2的包裹保护，极大地提高了BP的稳定性，研究发现在空气中可以保持两个月之久。该方法都是基于厚层样品进行研究，易于剥离，样品尺寸较大，厚度均匀，方便点对点转移制备异质结。借此研究探索异质结的优良性能，以提高异质结探测器的应用。

2 实 验

2.1 异质结制备与表征

黑磷样品从大块晶体上通过胶带对撕法，机械剥离到300 nm SiO2的硅衬底上；MoS2样品从块状晶体上通过蓝胶对撕，剥离到PDMS柔性透明衬底上。在莱卡DM2700光学显微镜下，使用自制的三维转移平台，将目标样品点对点贴合在一起，制备出MoS2-BP垂直异质结，具体步骤为：首先将贴有BP样品的SiO2/Si衬底粘贴在显微镜的载物台上，聚焦目标区域；接着将载物台降到最低(为MoS2样品的聚焦留足空间)；然后将贴有MoS2样品的PDMS衬底贴于悬臂上载玻片的下表面(样品面朝下)，调整三维转移台的x、y、z轴，聚焦MoS2样品；最后，缓慢升起载物台，直到在目镜中能看到硅片上的BP样品，再微调载物台使样品中心在一条垂线上，旋转细准焦螺旋使两个样品贴合。通过Renishaw LabRAM Inviamicro共焦拉曼光谱仪对样品进行拉曼、荧光表征。

2.2 器件制备与电学表征

制备器件时，先使用DZS-BRY450蒸镀机热蒸镀80 nm的金电极，再通过探针转移法，将电极转移到二硫化钼(异质结中的上层)的两端，分别作为源、漏电极。采用厚度约为300 nm的SiO2层作为介质层，p掺杂的硅衬底作为背栅电极，制备场效应晶体管。在大气环境中，利用Keithley 2634B分析仪，在黑暗和光照条件下测试了MoS2-BP器件的光电性能。在样品上分别照射532 nm、940 nm波长、2 Hz频率的激光，激光器型号分别为RENISHAW RL 532C50和MDL III系列，通过调整激光器电流控制激光功率。在所有光电流测试中，激光通过50X物镜(NA=0.5)聚焦到样品上，光斑大小约1 μm，远小于器件沟道大小。

3 结果与讨论

3.1 黑磷和异质结的拉曼荧光特性

图1 黑磷和二硫化钼-黑磷异质结的光学表征图Fig.1 Optical characterization of BP and MoS2-BP heterojunction

3.2 532 nm激光照射下异质结的光电流特性

为了研究异质结的光电特性，在MoS2两端转移了80 nm金作为源、漏电极，具体方法在实验部分介绍。图2(a)为MoS2-BP异质结器件光学显微镜成像图，图中虚线圈出来的异质结区域1、2、3，对应MoS2下BP厚度依次变薄。图2(b)是VDS=1 V时，MoS2区域在暗场及不同功率的532 nm激光照射下的输出特性曲线对比图。电流与偏压之间的非线性增长，说明转移的电极与MoS2样品之间存在肖特基势垒。激光照射下电流比暗场电流大，电流大小与入射激光功率呈正相关，表明在激光照射下有光电流的产生。即当入射光子能量大于材料的带隙，价带上电子跃迁到导带，形成电子-空穴对，电子和空穴分别在导带、价带作为载流子，形成光生载流子[21-22]。入射功率越强，光电流越大。说明光功率越高，产生的光生载流子越多，在外加偏压的驱动下，光电流就越大。这种现象在图2(d)中展示的更明显，图2(d)为异质结区域3在99.5 μW、185.2 μW、1095 μW、2100 μW等不同入射激光功率照射下的光电流对比图。有激光照射时，电流升高，无光照射时，电流下降。功率从99.5 μW升高到2100 μW的过程中，光电流不断增加。光电流随入射功率变化图如图2(f)，光电流随光功率呈线性增长。光电流是图2(d)中电流最大值减电流最小值，即[23]

Iph=Iill-Idark

(1)

衡量光探测能力的另一个指标就是光响应度，是光电流与有效吸收功率的比值[24]

R=Iph/PS

(2)

式(2)中Iph为光电流，P为功率密度，S为吸光面积，本文中所使用的激光光斑远小于样品面积，所以认为激光功率全部被吸收，随着激光功率的增加，响应度逐渐变小，这属于光电导器件的共同特点，即随着功率的增加，载流子复合加剧，响应度降低[25]。

接着研究了不同区域的光电流特性。MoS2、异质结区域1、2、3，这四个不同区域在VDS=1 V，入射激光功率1.095 mW时的光电流对比图如图2(c)。不同区域的光电流变化趋势展示在图2(e)中，MoS2区域的光电流最大，当激光照射在MoS2-BP异质结上，MoS2中产生光生载流子的同时，MoS2和BP构成的p-n结也会有电子空穴对的扩散，一定程度上阻碍光生载流子的运动，最终导致异质结区域1、2、3的光电流小于单纯MoS2区域。对于不同异质结区域，BP厚度越薄，光电流越大，表明BP对MoS2影响越小，BP与MoS2间的扩散的电子空穴数量越少，即两者之间相互作用越弱。

图2 532 nm激光下MoS2-BP异质结器件光电流特性Fig.2 Photocurrent characteristics of MoS2-BP heterojunction device by 532 nm laser

3.3 940 nm激光照射下异质结的光电流特性

BP样品随厚度变化带隙也不断变化(0.3～2 eV)，所以其在红外也有较高响应。MoS2因其带隙较大，在红外响应比较弱。因此将BP作为吸光层，940 nm激光照射下，研究了MoS2-BP异质结的光响应。图3(a)中最上面的图为单纯硫化钼的光响应，线型粗糙，电流不稳定，上升时间τ=30 ms,下降时间τ=68 ms，响应时间为电流上升(下降)10%到90%之间的时间[26]。这是因为激光照射时，产生电子空穴对，无光照瞬间，电子被陷阱束缚，无法复合，导致光电流下降沿时间比上升沿时间长。图3(a)中间的图是BP光电流图，光电流可以快速达到稳定饱和，响应度较单纯的MoS2高，上升时间和下降时间都约为40 ms。图3(a)最下面图为MoS2-BP异质结区域1的光电流，光电流曲线较单纯MoS2区域稍平滑，光响应时间为38 ms，比单纯MoS2、BP区域响应时间都稍有提高，尤其比单纯MoS2下降时间变快。说明由于黑磷的存在起到了提高异质结红外响应的作用。然而可能由于二硫化钼过厚，和黑磷的相互作用不是很强，导致光响应比较微弱，异质结的特性体现的不是很明显。BP在异质结器件中的作用原理图如图3(b)，上图为单纯BP器件在红外的吸收示意图，厚层黑磷带隙较小，红外光光子能量几乎可以完全被吸收，箭头代表光的方向；下图为MoS2-BP异质结器件在红外的吸收示意图，MoS2覆盖在BP上，BP作为吸光层，增加了异质结对光的吸收，但由于MoS2对近红外光不吸收，所以异质结区域的光电流较单纯BP的弱。

图3 940 nm激光下MoS2-BP异质结器件光电流特性Fig.3 Photocurrent characteristics of MoS2-BP heterojunction device by 940 nm laser

3.4 黑磷和异质结稳定性研究

如何提高黑磷在空气中的稳定性一直是黑磷器件要面临的首要问题。将被MoS2覆盖的黑磷样品和裸露的黑磷样品同时放在室温20 ℃，湿度60%的房间内，每天监测其光学变化。图4(a)、(b)对应裸露的BP样品刚剥离的和两周后的光学显微镜成像图，刚剥离的样品表面光滑整洁，无明显缺陷，两周后表面出现绿色氧化物，表明BP与水反应生成磷酸，随着时间推移，磷酸和水反应生成PxOy磷氧化物，不仅影响光学特性更是降低电学特性[27]。图4(c)、(d)对应MoS2-BP异质结样品刚剥离的和两个月后的光学显微镜成像图，异质结部分光滑无气泡，说明了上层的 MoS2为BP与外界隔绝创造了良好条件。如预期一样，两个月后异质结样品光电性能也基本没有变化。

图4 刚剥离的和两周后的BP和两月后的MoS2-BP异质结光学显微镜成像图Fig.4 Optical image of BP and MoS2-BP heterojunction after prepared and two weeks (months)

4 结 论

本文通过干法转移制备了黑磷-二硫化钼垂直异质结构，都采用厚层样品进行研究保证了器件制备的简单高效。在该异质结中，由于二硫化钼层有效的阻止了周围环境中的氧气、水等杂质对黑磷样品的退化作用，使其在空气中能够稳定两个月之久。同时由于厚层黑磷的窄带隙结构，极大地增加了异质结在近红外区域的吸收，相对单纯的厚层硫化钼器件，该异质结器件在近红外区域表现出较强的光响应。该文中的厚层异质结器件为实现二维硫属化合物在红外区域的探测提供了新的方法与思路。