Flexible two‑dimensional/three‑dimensional material based photodetectors

• Flexible Fotodetektoren basierend auf Zweidimensionale / Dreidimensionale Materialien

Schneider, Daniel Stefan; Lemme, Max C. (Thesis advisor); Vescan, Andrei (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

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.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente [618710]