Gate-Tunable Plasmon-Enhanced Photodetection in a Monolayer MoS2 Phototransistor with Ultrahigh Photoresponsivity

单层 光探测 光电子学 等离子体子 材料科学 光电流 光电探测器 二硫化钼 光电二极管 光子学 吸收(声学) 纳米技术 复合材料 冶金
作者
Hao-Yu Lan,Yi‐Kong Hsieh,Zong-Yi Chiao,Deep Jariwala,Min‐Hsiung Shih,Ta‐Jen Yen,Ortwin Hess,Yu‐Jung Lu
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:21 (7): 3083-3091 被引量:77
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.1c00271
摘要

Monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs), direct bandgap materials with an atomically thin nature, are promising materials for electronics and photonics, especially at highly scaled lateral dimensions. However, the characteristically low total absorption of photons in the monolayer TMD has become a challenge in the access to and realization of monolayer TMD-based high-performance optoelectronic functionalities and devices. Here, we demonstrate gate-tunable plasmonic phototransistors (photoFETs) that consist of monolayer molybdenum disulfide (MoS2) photoFETs integrated with the two-dimensional plasmonic crystals. The plasmonic photoFET has an ultrahigh photoresponsivity of 2.7 × 104 AW–1, achieving a 7.2-fold enhancement in the photocurrent compared to pristine photoFETs. This benefits predominately from the combination of the enhancement of the photon-absorption-rate via the strongly localized-electromagnetic-field and the gate-tunable plasmon-induced photocarrier-generation-rate in the monolayer MoS2. These results demonstrate a systematic methodology for designing ultrathin plasmon-enhanced photodetectors based on monolayer TMDs for next-generation ultracompact optoelectronic devices in the trans-Moore era.
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