Photodetectors based on low-dimensional materials and hybrid systems
Authors:   , Kuffer Dominik 
Published: October 2023

In the last decade, two-dimensional (2D) materials have attracted attention both in the nascent field of flexible nanotechnology as well as in more conventional semiconductor technol-ogies. Within the rapidly expanding portfolio of 2D materials, the group of semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDCs) has emerged as an intriguing candidate for various optoelectronic applications. The atomically thin profile, favorable bandgap and outstanding electronic properties of TMDCs are unique features that can be explored and applied in novel photodetecting platforms.
This thesis presents highly sensitive two-dimensional phototransistors made of sub-nanometre thick TMDC channels. Firstly, an encapsulation route is developed to address the detrimental and, to date, uncontrollable impact of atmospheric adsorbates, which severely deteriorate detector performance. The passivation scheme improves the transport properties of TMDCs, leading to high photoconductive gain with gate dependent responsivity of 10 -10^4 A/W throughout the visible, and temporal response down to 10 ms, which is suitable for imaging applications. The atomic device thickness yields ultra-low dark current operation and record detectivity of 10^11 - 10^12 Jones for TMDC-based detectors is achieved.
The use of monolayer TMDCs, however, has disadvantages like limited spectral absorption due to the bandgap and limited absorption efficiency. In order to increase the absorption and to extend the spectral coverage, TMDC channels are covered with colloidal quantum dots to make hybrid phototransistors. This compelling synergy combines strong and size-tunable light absorption within the QD film, efficient charge separation at the TMDC-QD interface and fast carrier transport through the 2D channel. This results in large gain of 10^6 electrons per absorbed photon and creates the basis for extremely sensitive light sensing. Colloidal quan-tum dots are an ideal sensitizer, because their solution-processing and facile implementation on arbitrary substrates allows for low-cost fabrication of hybrid TMDC-QD devices. Moreover, the custom tailored bandgap of quantum dots provides the photodetector with wide spectral tunability. For photodetection in the spectral window of NIR/SWIR, which is still dominated by expensive and complex epitaxy-based technologies, these hybrid detectors have the potential to favorably compete with commercially available systems.
The interface of the TMDC-QD hybrid is of paramount importance for sensitive detector operation. A high density of trap states at the interface is shown to be responsible for inefficient gate-control over channel conductivity, which leads to high dark currents. To maintain the unique electrical field-effect modulation in TMDCs upon deposition of colloidal quantum dots, a passivation route of the interface with semiconducting metal-oxide films is developed. The buffer-layer material is selected such that charge transfer from QDs into the channel is favored. The retained field-effect modulation with a large on/off ratio allows operation of the phototransistor at significantly lower dark currents than non-passivated hybrids. A TMDC-QD phototransistor with an engineered interface that exhibits detectivity of 10^12 - 10^13 Jones and response times of 12 ms and less is reported.
In summary, this work showcases prototype photodetectors made of encapsulated 2D TMDCs and TMDC-QD hybrids. Plain TMDC-detectors have potential for application as flexible and semi-transparent detector platforms with high sensitivity in the visible. The hybrid TMDC-QD device increases its spectral selectivity to the NIR/SWIR due to the variable absorption of the sensitizing quantum dots and reaches compelling performance thanks to im-proved light-matter interaction and optimized photocarrier generation.
En la última década ha surgido un gran interés por los materiales bidimensionales (2D) tanto para las tecnologías emergentes de dispositivos flexibles, como para las tecnologías de semiconductores tradicionales. Dentro del creciente catálogo de materiales 2D, los semiconductores basados en dicalcogenuros de metales de transición (DCMTs) han surgido como candidatos para aplicaciones optoelectrónicas. Sus características únicas, tales como grosor atómico, banda prohibida y propiedades electrónicas pueden ser examinadas y aplicadas en nuevas plataformas de fotodetección. En esta tesis se presentan nuevos fototransistores bidimensionales ultrasensibles basados en canales de DCMTs subnanométricos. Se presenta una ruta de encapsulación para intentar solucionar el impacto negativo, e incontrolable hasta la fecha, producido por la adsorción de sustancias atmosféricas que degradan el funcionamiento de los detectores. Este proceso mejora el transporte en los DCMTs dando lugar a una gran ganancia fotoconductora, una respuesta, dependiente de la tensión aplicada en el gate, de 10-10^4 A/W en el visible y una respuesta temporal de tan solo 10 ms, todo ello adecuado para aplicaciones de imagen. El grosor atómico de los dispositivos da lugar a corrientes de oscuridad muy bajas y una detectividad de 10^11-10^12 Jones. Sin embargo, el uso de monocapas de DCMTs presenta ciertas desventajas como por ejem-plo una eficiencia en la absorción baja. Con el fin de mejorar la absorción, los canales de DCMTs se han recubierto con puntos cuánticos (QDs) para fabricar fototransistores híbridos. Esta sinergia combina la alta absorción de los QDs, una eficiente separación de cargas en la interfaz DCMT-QD y un rápido transporte de cargas a través del canal 2D. Todo esto resulta en una ganancia de 10^6 electrones por fotón absorbido y crea la base para sensores de luz extremadamente sensibles. Los puntos cuánticos coloidales son sensibizadores ideales ya que su procesado en disolución y su fácil incorporación sobre cualquier sustrato permiten la fabricación de sistemas híbridos DCMT-QD a bajo coste. Además, la posibilidad de modifi-car la banda prohibida, ofrecida por los QDs, proporciona al fotodetector una amplia respuesta espectral. Para fotodetección en la ventana espectral del infrarrojo cercano (NIR/SWIR), estos detectores híbridos presentan el potencial de competir favorablemente con los sistemas comerciales disponibles. La interfaz entre el híbrido DCMT-QD es de la mayor importancia para la sensibilidad del detector. Se ha demostrado que una alta densidad de trampas en la interfaz es la responsable del ineficiente control mediante el gate de la conductividad del canal, dando lugar a corrientes de oscuridad muy altas. Para mantener la excepcional modulación de efecto campo aún después de la deposición de los QDs, se ha desarrollado una ruta de pasivación de la interfaz con óxidos metálicos semiconductores. El material de esta capa amortiguadora (buffer) es seleccionado de tal manera que permita la transferencia de cargas desde los puntos cuánticos hasta el canal DCMT. Esto retiene la modulación de efecto campo con una relación encendido/apagado muy alta, permitiendo el funcionamiento del fototransistor con corrientes de oscuridad significativamente menores que las de los híbridos sin pasivar. Así, se presenta un fototransistor híbrido DCMT-QD, con una interfaz cuidadosamente diseñada, que exhibe una detectividad de 10^12-10^13 Jones. En resumen, este trabajo presenta unos prototipos de fotodetectores basados en DCMT 2D encapsulados y en híbridos DCMT-QD. Los fotodetectores basados en DCMT simples presentan potencial para su aplicación en detectores flexibles y semitransparentes, con gran sensibilidad en el visible. Los híbridos DCMT-QD amplían la selectividad espectral al infrarrojo cercano gracias a la absorción variable ofrecida por los puntos cuánticos y alcanzan un muy interesante rendimiento gracias a una mejor interacción luz-materia.