Ultimativer pn-Übergang

Amerikanische Forscher haben einen atomar dünnen pn-Übergang aus einer van der Waals-Heterostruktur hergestellt und seine elektronischen und optoelektronischen Eigenschaften untersucht. Dabei haben sie eine diodenartige Gleichrichtung von Strömen sowie einen photovoltaischen Effekt beobachtet. Eine van der Waals-Heterostruktur ist ein Stapel aus verschiedenen zweidimensionalen Kristallen wie Graphen oder hexagonalem Bornitrid. Diese Schichten aus einer oder wenigen Atomlagen sind nicht kovalent miteinander verbunden, sondern haften durch van der Waals-(vdW)-Kräfte aneinander. Anders als in herkömmlichen Heterostrukturen müssen benachbarte Schichten in vdW-Heterostrukturen nicht atomar zusammenpassen. Entsprechend vielfältig sind die Kombinationsmöglichkeiten.

Philip Kim von der Columbia University – inzwischen nach Harvard gewechselt – und seine Mitarbeiter haben eine vdW-Heterostruktur gefertigt, die aus je einer Lage des n-Halbleiters Molybdändisulfid (MoS₂) und des p-Halbleiters Wolframdiselenid (WSe₂) besteht. Dazu haben sie zunächst eine einlagige WSe₂-Flocke auf eine mit Siliziumdioxid überzogene Siliziumunterlage gebracht und an ihren Enden mit Palladiumelektroden kontaktiert. Quer über diese Flocke legten sie eine einlagige MoS₂-Flocke und versahen sie mit Aluminiumelektroden.

Eine Source-Drain-Spannung, die zwischen die Pd- und die Al-Elektroden gelegt war, ließ einen Strom von der einen halbleitenden Flocke zur anderen fließen. Mit einer Gate-Spannung zwischen der Siliziumunterlage und den Elektroden ließ sich die Ladungsträgerdichte in den beiden Halbleiterschichten regulieren. Bei verschwindender Gatespannung betrug sie 1–3 × 10¹² cm^-2.

Die Doppelschicht war somit ein pn-Übergang, in dem wegen seiner atomaren Dicke andere Verhältnisse herrschten als in einem herkömmlichen pn-Übergang. Dort rekombiniert ein Teil der frei beweglichen Elektronen und Löcher, sodass sich an der Grenzfläche der beiden Halbleiter eine etwa ein Mikrometer dicke Raumladungszone bildet, in der es keine frei beweglichen Ladungsträger mehr gibt. Sie sorgt dafür, dass der pn-Übergang bei Anlegen einer elektrischen Spannung wie eine Diode wirkt und in Sperrrichtung keinen Strom durchlässt.

Im Gegensatz dazu ist der „atomare“ pn-Übergang in der vdW-Heterostruktur weniger als ein Nanometer dick, sodass sich in ihm keine Raumladungszone bilden kann. Dennoch konnte auch dieser pn-Übergang den Stromfluss sperren, wie die Experimente zeigten. Bei einer Gatespannung von –10 Volt und Source-Drain-Spannungen unterhalb von 1 Volt ließ der pn-Übergang den elektrischen Strom nur in eine Richtung durch, wobei Stromstärken von 0,6 Nanoampere auftraten.

Die Forscher erklären dieses Verhalten damit, dass die elektrische Spannung in Sperrrichtung längs der beiden Flocken abfällt und sich dabei ausgedehnte Potentialbarrieren bilden, die den Stromfluss unterbinden. In Durchlassrichtung fällt die Spannung hingegen zwischen den beiden Flocken ab. Sowohl die Löcher aus der WSe₂-Schicht wie auch die Elektronen aus der MoS₂-Schicht überwinden die trennende Grenzfläche durch quantenmechanisches Tunneln, sodass sie zusammen kommen und rekombinieren können. Dies ermöglicht einen Strom durch den atomaren pn-Übergang.

Anschließend untersuchten die Forscher die photovoltaischen Eigenschaften des atomaren pn-Übergangs, indem sie ihn mit weißem Licht bestrahlten. Unter anderem maßen sie das Photolumineszenzspektrum des pn-Übergangs und stellten dabei fest, dass es eine wesentlich geringere Intensität hatte, als die Spektren einzelner WSe₂- und MoS₂-Schichten. Offenbar waren die meisten Elektronen, die durch das einfallende Licht angeregt worden waren, im pn-Übergang weggeleitet worden, sodass sie nicht mehr mit den zurückgelassenen Löchern rekombinieren und damit Lumineszenz erzeugen konnten.

Diese Ladungstrennung, die für eine photovoltaische Nutzung entscheidend ist, konnten die Forscher noch verbessern, indem sie je eine Graphenschicht als Elektrode unter die WSe₂- und auf die MoS₂-Schicht legten. Die durch das Licht freigesetzten Ladungsträger mussten dann nicht erst entlang der Halbleiterschichten zu den Metallelektroden diffundieren, um endgültig voneinander getrennt zu werden, sondern sie konnten gleich in die angrenzende Graphenelektrode überwechseln. Die Quantenausbeute ließ sich übrigens durch pn-Kontakte mit mehrlagigen WSe₂- und MoS₂-Schichten erhöhen.

Da die mikroskopischen Vorgänge in einem atomaren pn-Übergang grundlegend verschieden sind von denen in einem herkömmlichen pn-Übergang, hoffen die Forscher, dass man mit solchen van der Waals-Heterostrukturen neue und leistungsfähige elektronische und optoelektronische Bauelemente herstellen kann.

Rainer Scharf

DE