Photodetektoren auf Basis von direkt gewachsenen Übergangsgmetall-Dichalkogenid Heterostrukturen
In neuartigen Konzepten für Photodetektoren werden Ansprüche an Formfaktoren, wie bspw. eine hohe mechanische Flexibilität, gestellt, die durch die Verwendung von klassischen Absorbermaterialien wie Silizium schwer realisierbar sind. Halbleitende Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDCs) können diesen Anforderungen als optisch aktive Materialien in diesen Bauelementen genügen. Hohe Bindungsenergien der Exzitonen in TMDCs erschweren die Ladungsträgerseparation. Die Verwendung von TMDC-basierten Heterostrukturen verringert diese Bindungsenergien und bietet dadurch eine effiziente Generierung von Photoströmen. Erste Machbarkeitsstudien an mechanisch exfolierten TMDC-Heterostrukturen konnten bereits die prinzipielle Idee der Ladungsträgertrennung aufzeigen, sind jedoch nicht skalierbar und daher für eine industrielle Fertigung von Photodetektoren ungeeignet. In der vorgestellten Arbeit werden Photodetektoren aus industriell relevant gewachsenen TMDCs realisiert und auf ihre Leistungsfähigkeit überprüft. Im Fall von Photoleitern aus Graphen-TMDC Heterostrukturen gibt es in der Literatur Diskrepanzen der Leistungsfähigkeiten bis hin zum Vorzeichen des Photostromes. Durch definierte Beleuchtungsexperimente kann hier der Einfluss der Adsorbatbedeckung an der Grenzfläche des TMDCs zur Umgebung auf den Majoritätsladungsträgertypen des Graphens erschlossen werden. Verstärkungsmechanismen werden als Ursache von verschiedenen Leistungsfähigkeiten von Graphen-TMDC Photoleitern identifiziert. Die direkt gewachsene WS2-MoS2 Heterostruktur wird zunächst in eine
TMDC-basierte Heterostrukturen werden dabei in speziell auf die jeweilige Heterostruktur angepasste Typen von Photodetektoren, Photoleiter bzw. Photodioden, integriert. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Generierung von Photoströmen durch die Separation von optisch generierten Ladungsträgern an der Grenzfläche der jeweiligen Heterostruktur.
pn-Diode aus Dünnschichtfilmen integriert. Im Selbstbetrieb erreicht die Photodiode einen linearen Dynamikbereich von mindestens 110 dB bei einer externen Quanteneffizienz von 4,4 %. Die 3dB-Bandbreite kann mit einem Wert von über 80 MHz abgeschätzt werden.
In novel concepts for photodetectors, demands are placed on form factors, such as high mechanical flexibility, that are difficult to achieve using traditional absorber materials like silicon. Semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDCs) can meet these requirements as optically active materials in such devices. However, the high exciton binding energies in TMDCs hinder charge carrier separation. The use of TMDC-based heterostructures reduces these binding energies, thereby enabling efficient generation of photocurrents. Initial feasibility studies on mechanically exfoliated TMDC heterostructures have demonstrated the fundamental concept of charge carrier separation, but these approaches are not scalable and thus unsuitable for industrial photodetector manufacturing. In the presented work, photodetectors made from industrially relevant, grown TMDCs are realized and evaluated for their performance. TMDC-based heterostructures are integrated into specifically tailored types of photodetectors, photoconductors or photodiodes, depending on the heterostructure. The main focus is on generating photocurrents through the separation of optically excited charge carriers at the interface of the respective heterostructure. In the case of photoconductors made from graphene-TMDC heterostructures, the literature reports discrepancies in performance, even regarding the sign of the photocurrent. Defined illumination experiments reveal how adsorbate coverage at the TMDC-environment interface influences the majority charge carrier type in graphene. Amplification mechanisms are identified as the cause of varying performance levels in graphene-TMDC photoconductors. The directly grown WS₂-MoS₂ heterostructure is first integrated into a pn-diode made from thin films. In self-powered operation, the photodiode achieves a linear dynamic range of at least 110 dB with an external quantum efficiency of 4.4%. The 3 dB bandwidth can be estimated at over 80 MHz.