Ultrafast and Highly Sensitive Dual-Channel FET Photodetector Based on a Two-Dimensional MoS2 Homojunction

材料科学 响应度 同质结 光电子学 光电探测器 光电二极管 二硫化钼 超短脉冲 比探测率 响应时间 电子 光学 异质结 物理 计算机图形学(图像) 冶金 激光器 量子力学 计算机科学
作者
Yufeng Shan,Ziwei Yin,Yi Zhang,Changyi Pan,Huiyong Deng,Ning Dai
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (45): 54194-54203 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsami.1c16891
摘要

Two-dimensional transition metal dichalcogenide-based phototransistors have been intensively studied in recent years due to their high detection rate and flexibility. However, the photogating effect, usually appearing in the devices, leads to a poor transient photoresponse, which slows down the imaging rate of the camera based on the devices. Here, we demonstrate a dual-channel two-dimensional field-effect phototransistor composed of a vertical molybdenum disulfide (MoS2) p-n homojunction as the sensitizing channel layer. Owing to the effective separation by the vertical built-in electric field and rapid migration of photoexcited electrons and holes in the separated channels, the fabricated dual-channel FET device simultaneously exhibits prominent responsivity and greatly improved time response in comparison to the pristine MoS2 FET detectors. Excellent device performance has been achieved, with a responsivity of 3.4 × 104 A/W at a source-drain voltage (VDS) of 1 V, corresponding to a detectivity (D*) of 1.9 × 1013 Jones@532 nm and a gain of more than 105 electrons per photon, an external quantum efficiency of 9.6%, and a response time of tens of milliseconds. Especially, the response time of the dual-channel FET device is 3 orders of magnitude faster than that of the pristine device. Our results provide a new way to overcome the inherent photogating drawback of two-dimensional FET optoelectronic devices and to develop a related high frame rate imaging system.
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