Grundlegende und Fotodetektoranwendung von Van-der-Waals-Schottky-Übergängen

Die Verbindung aus herkömmlichen Metallen und 2D-Halbleitern ist eine Schlüsselkomponente von Halbleiterbauelementen.

Idealerweise kann die Höhe der Schottky-Barriere (SBH) basierend auf der relativen Ausrichtung der Energieniveaus gemäß der Schottky-Mott-Regel ermittelt werden. Allerdings war die Schottky-Mott-Regel aufgrund des Fermi-Level-Pinning-Effekts (FLP) ungültig. Es ist schwierig, SBH durch Änderung der Austrittsarbeit von Metallen abzustimmen. Das genaue Design und die Modulation von SBH stellen eine Herausforderung dar und das Problem von FLP sollte angegangen werden.

In diesem Aufsatz fassten die Autoren das grundlegende Konzept des vdW-Schottky-Kontakts zusammen, einschließlich der Bandausrichtung an der Grenzfläche und der SBH-Extraktionsmodelle. Anschließend wurden die Ursprünge von FLP und die Strategien zur Beseitigung von FLP vorgestellt.

Im Hinblick auf den 2D-Oberflächenkontakt wurden jeweils das Einfügen einer Pufferschicht, der vdW-Kontakt mit 3D-Metall durch Trockenübertragungsverfahren und die Konstruktion aller 2D-vdW-Kontakte unter Verwendung halbmetallischer 2D-Materialien eingeführt, um SBH zu minimieren.

Mittlerweile kann auch ein 1D-Kantenkontakt durch Ätzen oder Phasenübergang eine Depinning des Fermi-Niveaus realisieren. Auf der Grundlage von 2D-vdW-Schottky-Übergängen, die den FLP-Effekt wirksam unterdrücken können, wurde außerdem die Modulation der Schottky-Barriere über ein externes Feld, wie z. B. elektrostatisches Gating und ferroelektrische Polarisation und Spannung, eingeführt.

Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Erweiterte Geräte und Instrumentierung.

Anschließend wurde die jüngste Entwicklung von Fotodetektoren auf Basis von 2D-Schottky-Übergängen zusammengefasst, die sich durch hohe Empfindlichkeit, selbstgesteuerten Betrieb und schnelle Reaktion auszeichnen. Im Vergleich zu herkömmlichen Bulk-Schottky-Übergangs-Fotodetektoren wird erwartet, dass das 2D-Schottky-Übergangsgerät einen geringeren Dunkelstrom aufweist.

Darüber hinaus zeigten vollständig 2D-vdW-Übergänge, die halbmetallische 2D-Materialien verwenden, aufgrund des eliminierten FLP eine höhere Energieumwandlungseffizienz und eine effiziente Kontrolle der Schottky-Barriere. Die Abstimmbarkeit von Schottky-Übergängen ermöglichte auch die Realisierung rekonfigurierbarer Fotodioden, was für die multifunktionale Fotodetektion von Vorteil ist.

Die Autoren fassten die Strategien zur Verbesserung der Photodetektion auf Basis des vdW-Schottky-Übergangs unter den Aspekten einer verbesserten optischen Absorption, eines erweiterten Wellenlängenbereichs, einer erhöhten Photoverstärkung und des Designs eines anisotropen 2D-Metalls weiter zusammen.

Schottky-Übergänge haben wichtige Anwendungsaspekte im Bereich der Photodetektion. Allerdings schränken die schlechten gleichrichtenden und unkontrollierten Ladungsträgertransporteigenschaften in 2D-Schottky-Übergängen ihre Anwendung ein, was auf den starken FLP-Effekt zurückzuführen ist.

Verschiedene Arten von 2D-Halbmetallen bieten zahlreiche Möglichkeiten für die Gestaltung von vdW-Schottky-Übergängen basierend auf der Austrittsarbeit von 2D-Metallen gemäß der Schottky-Mott-Regel. Die Fermi-Niveaus von 2D-Metallen können leicht moduliert werden, was die flexible Abstimmung von SBH ermöglicht, was für die Ausschöpfung des vollen Potenzials von 2D-Schottky-Übergängen und die weitere Verbesserung der Fotodetektionsleistung unerlässlich ist.

Die zukünftigen Richtungen können sich auf die Herstellung von vdW-Schottky-Übergängen im großen Maßstab, die flexible Modulation der Breite der Schottky-Barriere und Mechanismen der abstimmbaren Photodetektion heißer Elektronen konzentrieren.