Flexible two‑dimensional/three‑dimensional material based photodetectors

Schneider, Daniel Stefan; Lemme, Max C.; Vescan, Andrei

doi:HT021574315

Flexible two‑dimensional/three‑dimensional material based photodetectors = Flexible Fotodetektoren basierend auf Zweidimensionale / Dreidimensionale Materialien

Schneider, Daniel Stefan^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.‑Ing. Daniel Stefan Schneider

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Lemme, Max C. (Thesis advisor)^RWTH* ; Vescan, Andrei (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-11-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-09676
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/854625/files/854625.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (618710)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
MoS2 (frei) ; flexible (frei) ; graphene (frei) ; photodetector (frei) ; two-dimensional (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
1. Motivation, Ziel und Aufgabenstellung der Arbeit Moderne Multispektralsensoren ermöglichen es, unbekannte Stoffe ungetrübt von der menschlichen Wahrnehmung von Farben durch physikalische Werte exakt zu definieren. Dadurch ist es möglich, zerstörungsfreie, sowie kontaktlose Analysen zur Unterscheidung von Gefahrstoffen durchzuführen. Elektrisch durchstimmbare Fotodetektoren auf Basis von hydrogenisiertem amorphen Silizium (a‑Si:H) sind eine Alternative zu dem Aufbau von Bildsensoren, basierend auf Fotodioden mit integrierten Farbfiltern, welche für solche Analysen eingesetzt werden. Die spezielle vertikale Bauteilstruktur ermöglicht die Abtastung von einer Vielzahl von spektralen Bändern in nur einem einzelnen Fotodetektor ohne optische Filter. Die Integration von zweidimensionalen (2D) Materialien mit interessanten elektrischen, mechanischen und optischen Eigenschaften, wie Graphen und Molybdän‑Disulfid (MoS₂), stellt eine Möglichkeit zur Erweiterung der Wellenlängensensitivität dieser Bauteile dar. Dadurch kann eine signifikante Einschränkung der Siliziumtechnologie, primär den sichtbaren Bereich zu detektieren, aufgehoben werden. Im Rahmen der Promotion wurden hybride Fotodetektoren aus 2D/3D Heterostrukturen simuliert, gefertigt und charakterisiert. 2D‑Schichten, speziell MoS₂, bieten hohe Absorptionen von bis zu 10% im sichtbaren Teil des Wellenlängenspektrums bei einer einzelnen Monolage und eignen sich zudem auch aufgrund ihrer guten elektrischen Eigenschaften für die Entwicklung leistungsfähiger und hochflexibler tragbarer Elektronik (Wearables). Der Einsatz von MoS₂ in Lichtsensoren auf flexiblen Substraten kann den Aufbau von ultradünnen und hochempfindlichen Sensoren ermöglichen, welche auch für den Bereich des Internets der Dinge interessant sind. Standardsubstrate für Halbleiter lassen sich auch ausdünnen, um flexiblere Bauteil zu fertigen, aber die erlaubte Biegung für solche an sich starren und spröden Substrate ist eher begrenzt. Metall‑Halbleiter‑Metall Fotodetektoren mit nur wenige atomlagen dicken MoS₂ Absorbern wurden auf Foliensubstraten hergestellt und hinsichtlich ihrer optoelektronischen Eigenschaften charakterisiert. 2. Wesentliche wissenschaftliche Beiträge der Arbeit Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden zum ersten Mal erfolgreich 2D Materialien in vertikale Multispektralsensoren auf Basis von a‑Si:H integriert. 2D/3D hybride Fotodetektorstrukturen mit Graphenelektroden als transparente und leitfähige Elektroden zeigen eine vergrößerte UV‑Empfindlichkeit gegenüber Bauelementen mit gewöhnlichen transparenten leitfähigen Oxidschichten (TCO). Zusätzlich konnte in wiederholten Biegetests elektrisch nachgewiesen werden, dass durch Graphen optimierte Multispektralsensoren bei wiederkehrender Dehnungsbelastung betrieben werden können. Referenzbauteile mit TCO dagegen fielen bereits nach wenigen Biegezyklen aus. Die feldabhängige maximale Spektralantwort der Fotodetektoren lässt sich von 310 nm bis 520 nm durchstimmen. Die Quanteneffizienz der biegsamen Fotodetektoren konnte zusätzlich durch doppelte Graphenlagen aufgrund der Reduktion von Schichtwiderständen erhöht werden. Die Forschungsergebnisse wurden auf internationalen Konferenzen (ESSDERC 2016 und DRC 2016) und in der Fachzeitschrift Nanoscale in 2017 vorgestellt. In einer Kooperation mit der Universität Siegen wurden MoS₂‑Schichten in vertikale a‑Si:H Fotodetektoren integriert. Dadurch konnte eine Empfindlichkeit bis in den Infrarotbereich (~2 μm) erzielt werden. Die Spektralantworten von ca. 50 mA/W unterhalb der Bandlücke der Absorptionsschichten ist unerwartet, aber mehrfach in sorgfältig wiederholten optischen Messungen nachgewiesen. Störstellen im 2D Material, sowie an den Schichtübergängen könnten für die Infrarotempfindlichkeit verantwortlich sein. Die Erweiterung des spektralen Empfindlichkeitsbereichs lässt sich durch Anlegen eines elektrischen Feldes aktivieren. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift ACS Photonics in 2019 veröffentlicht. Lateral angeordnete Metall‑2D‑Halbleiter‑Metall Fotodetektoren mit zusätzlichem Gate‑ kontakt wurden gefertigt und systematisch charakterisiert. Die potenziell skalierbare Fertigung von flexiblen Lichtsensoren auf Foliensubstraten mit sehr hohen Spektralantworten im blauen Wellenlängenbereich wurde durch den Einsatz von auf Saphirwafern‑gewachsenem MoS₂ demonstriert. Im Gegensatz zu Standard‑Fotoleiterstrukturen erlaubt der zusätzliche Gatekontakt die Optimierung des Fotostroms. Diese Lichtsensoren können insbesondere zur Detektion der Blaulichtgefährdung („Blue Light Hazard“) durch moderne LED‑basierte Lichtquellen mit hohem Blaulichtanteil eingesetzt werden. Auch diese Fotodetektoren sind gegen wiederkehrende Zugbelastung resistent, sodass die Integration in zukünftigen Wearables denkbar ist. Die Ergebnisse zu den 2DPhotodetektoren wurde auf den internationalen Konferenzen (DRC 2019 und Graphene Week 2019) und in der Fachzeitschrift ACS Photonics in 2020 publiziert.

1. Motivation, Goal and Task of the Dissertation Multispectral sensors enable the precise identification of unknown substances, undistorted by the human perception of colors. This makes it possible to carry out contactless and non‑destructive analyses for identification of hazardous substances. Electrically tunable photodetectors based on hydrogenated amorphous silicon (a‑Si:H)are alternatives to image sensors that are based on photodiodes with integrated color filters which are used for such analyses. A specific vertical device structure allows sampling of a wide range of spectral bands in a single photodetector without the need for optical filters. The integration of two‑dimensional (2D) materials with interesting electrical, mechanical, and optical properties, such as graphene and (molybdenum disulfide (MoS₂) into the multispectral sensors, opens the opportunity to extend the wavelength responsivity of these devices. This can overcome a significant limitation of silicon technology which primarily detects the visible region. As part of this PhD thesis, hybrid photodetectors based on 2D/3D heterostructures were simulated, fabricated, and characterized. Monolayer MoS₂ offers high absorptions of up to 10% in the visible part of the electromagnetic spectrum. It is also suitable for the development of high‑performance and highly flexible wearable electronics (wearables) due to its good electrical properties. The integration of MoS₂ in light sensors on flexible substrates can enable the realization of ultra‑thin and highly sensitive sensors which are also interesting for Internet of Things. Standard substrates for semiconductors can also be thinned out to achieve higher device flexibilities, but the bearable strain for such intrinsically rigid and brittle substrate is rather limited. Here, metalsemiconductor‑metal photodetectors with MoS₂ absorbers of only a few atomic layers thick were fabricated on foil substrates and characterized with respect to their optoelectronic properties. 2. Major Scientific Contributions In this PhD thesis, 2D materials were successfully integrated into vertical multispectral sensors based on a‑Si:H for the first time. These 2D/3D hybrid photodetector structures with graphene electrodes as transparent and conductive electrodes show an enhanced UV responsivity compared to devices with conventional transparent conductive oxide (TCO) layers. In addition, electrical measurements under bending cycles have demonstrated that graphene‑ optimized multispectral sensors can be operated under repetitive tensile strain. In contrast, reference TCO‑based devices failed after only a few bending cycles. The maximum spectral responsivity of the photodetectors can be tuned from 310 nm to 520 nm by varying the applied bias. The quantum efficiency of the flexible photodetectors could be further increased by using bilayer graphene due to the reduction of sheet resistances. The research results were presented at international conferences (ESSDERC 2016 and DRC 2016)and published in a journal (Nanoscale 2017). In a collaboration work with the University of Siegen, MoS₂ layers were integrated into vertical a‑Si:H photodetectors and led to a responsivity up to the infrared range (~2 μm). The spectral responsivities of about 50 mA/W were achieved at energies below the bandgaps of the absorber layers which is unexpected, but verified by several optical measurements. This is likely attributed to absorption through defects in the 2D material and at the interfaces. The extension of the spectral sensitivity range can be activated by applying an electric field. The results were published in the journal ACS Photonics in 2019. Laterally arranged metal‑2D semiconductor‑metal photodetectors with additional gate contact were fabricated and characterized. The potentially scalable fabrication of flexible light sensors on flexible substrates with very high spectral responses in the blue wavelength region has been demonstrated by using MoS₂ grown on sapphire wafer. An additional gate contact allows the optimization of the photocurrent in contrast to standard photoconductor structures. These light sensors can be used especially for the detection of blue light hazard caused by modern LED‑based light sources with a high blue light content. Also, these photodetectors are resistant to recurring tensile strain, thus their integration in future wearables is achievable. The results on the 2D photodetectors were published at the international conferences (DRC 2019 and Graphene Week 2019) and in the journal ACS Photonics in 2020.

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