Boosting External Quantum Efficiency beyond 100% in a Nanosecond-Scale Fast Photovoltaic MoS2-Si Photodiode

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作者
Seung Hun Han,Khang June Lee,Woonggi Hong,Dae Yool Jung,Hyeok Jun Jin,Gi Woong Shim,Seung Hyun Park,Cheolmin Park,Sung‐Yool Choi
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:20 (39): 26541-26551
标识
DOI:10.1021/acsnano.6c09478
摘要

Abstract As photodetectors continue to scale toward smaller device dimensions, achieving high sensitivity without sacrificing response speed remains a significant challenge for conventional silicon photodiodes. Here, we report a CMOS-compatible vertical 2D/3D hybrid photodiode consisting of trilayer molybdenum disulfide (MoS2) on p-type silicon (Si) with monolayer graphene as a transparent top electrode. The atomic-scale thickness of trilayer MoS2 (∼2.1 nm) enables a strong internal electric field and a fully depleted junction under low reverse bias. Consequently, the device exhibits high responsivity (1.0–1.4 A W–1) and external quantum efficiency (EQE) exceeding 100% across the visible range (420–660 nm), with a maximum EQE of 320% at −1 V, while maintaining a nanosecond-scale response. Power-law analysis, C–V characteristics, and nanosecond time-resolved measurements suggest that the observed gain is associated with electric-field-driven carrier multiplication, while long-lived trap-assisted photogating is unlikely to be the dominant gain mechanism.
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