Van der Waals Broken-Gap p–n Heterojunction Tunnel Diode Based on Black Phosphorus and Rhenium Disulfide

异质结 材料科学 量子隧道 光电子学 带隙 二极管
作者
Pawan Kumar Srivastava,Yasir Hassan,Yisehak Gebredingle,Jaehyuck Jung,Byunggil Kang,Won Jong Yoo,Budhi Singh,Changgu Lee
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (8): 8266-8275 被引量:69
标识
DOI:10.1021/acsami.8b22103
摘要

The broken-gap (type III) van der Waals heterojunction is of particular interest, as there is no overlap between energy bands of its two stacked materials. Despite several studies on straddling-gap (type I) and staggered-gap (type II) vdW heterojunctions, comprehensive understanding of current transport and optoelectronic effects in a type-III heterojunction remains elusive. Here, we report gate-tunable current rectifying characteristics in a black phosphorus (BP)/rhenium disulfide (ReS2) type-III p-n heterojunction diode. Current transport in this heterojunction was modeled using the Simmons approximation through direct tunneling and Fowler-Nordheim tunneling in lower- and higher-bias regimes, respectively. We showed that a p-n diode based on a type-III heterojunction is mainly governed by tunneling-mediated transport, but that transport in a type-I p-n heterojunction is dominated by majority carrier diffusion in the higher-bias regime. Upon illumination with a 532 nm wavelength laser, the BP/ReS2 type-III p-n heterojunction showed a photo responsivity of 8 mA/W at a laser power as high as 100 μW and photovoltaic energy conversion with an external peak quantum efficiency of 0.3%. Finally, we demonstrated a binary inverter consisting of BP p-channel and ReS2 n-channel thin film transistors for logic applications.
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