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Department of Physics & Astronomy

[서준석 학부생/강기훈 교수(연세대)/이탁희 교수] 2차원 반도체 기반 고성능 아발란치 광검출기 (avalanche photodetector) 개발 (Advanced Science 게재)

2021-08-10l 조회수 957

Ultrasensitive Photodetection in MoS2 Avalanche Phototransistors

- 아발란치 항복(avalanche breakdown)은 아발란치 광다이오드를 기반으로 한 단일광자 검출을 통해 고감도 광검출기에 활용되어 왔다. 본 연구에서는 이차원 물질인MoS2를 기반으로 아발란치 광트랜지스터를 구현했다. 아발란치 항복 현상을 활용함으로써, 이차원 반도체 기반 광검출기의 감도를 높이기 위해 흔히 적용되어 온 표면 처리나 광감각제를 사용하지 않았음에도 기존에 보고된 이차원 광트랜지스터보다 수십 배 높은 감도를 얻을 수 있었다. 또한, 반도체 채널과 전극 사이의 숏키 배리어(Schottky barrier)를 통해 소자의 성능을 조절할 수 있음을 보였다. 본 연구는 이차원 반도체 기반 광검출기의 성능을 향상시키는 방안을 제시하며 아직 비교적 연구되지 않은 이차원 아발란치 광검출기의 특성에 대한 물리적 이해를 증진할 것으로 기대된다.
- 이 논문의 1저자인 서준석 학생은 학부생이며 이 연구를 주도하였고, 이미 "Effect of Facile p-Doping on Electrical and Optoelectronic Characteristics of Ambipolar WSe2 Field-Effect Transistors", Nanoscale Research Letters, 14, 313 (2019) 논문을 1저자로 게재한 적이 있으며, 올해 9월에 미국 MIT 대학원에 진학할 예정이다.
 
There have been numerous studies on utilizing surface treatments or photosensitizing layers to improve photodetectors based on two-dimensional materials. Meanwhile, avalanche breakdown phenomenon has provided an ultimate high-gain route toward photodetection in the form of single-photon detectors. Here, we report ultrasensitive avalanche phototransistors based on monolayer MoS2 synthesized by chemical vapor deposition. A lower critical field for the electrical breakdown under illumination shows strong evidence for avalanche breakdown initiated by photogenerated carriers in MoS2 channel. By capitalizing on the photo-initiated carrier multiplication, our avalanche photodetectors exhibited photoresponsivity and detectivity a few orders larger than the highest values reported previously, despite the absence of any additional chemical treatments or photosensitizing layers. The realization of both the ultrahigh photoresponsivity and detectivity is attributed to the interplay between the carrier multiplication by avalanche breakdown and carrier injection across a Schottky barrier between the channel and metal electrodes. Our work presents a simple and powerful method to enhance the performance of photodetectors based on carrier multiplication phenomena in two-dimensional materials and provides the underlying physics of atomically thin avalanche photodetectors.

 

Authors: Junseok Seo, Jin Hee Lee, Jinsu Pak, Kyungjune Cho, Jae-Keun Kim, Jaeyoung Kim, Juntae Jang, Heebeom Ahn, Seong Chu Lim, Seungjun Chung, Keehoon Kang* and Takhee Lee*

DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202102437

Published online: August 8, 2021

Link: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202102437