High-performance InSb Quantum dots-MOCVD grown MoS₂ hybrid phototransistors

Abstract

양자점과 전이금속 칼코게나이드로 형성된 이종접합은 차세대 포토트랜지스터 응용을 위한 유망한 구조로 주목받고 있습니다. 양자점은 강한 광흡수 특성과 크기 조절에 따른 밴드갭 가변성을 통해 넓은 스펙트럼 영역에서의 파장 선택성을 제공하는 반면, 높은 캐리어 이동도를 갖는 이황화몰리브덴은 InSb 양자점과 결합될 경우 우수한 면내 전하 수송 특성과 빠른 광응답 특성을 나타냅니다. 그러나 이차원–영차원 하이브리드 포토트랜지스터에서 높은 감도와 빠른 시간 응답을 동시에 달성하는 것은 계면에서의 비효율적인 전하 전달과 트랩 보조 캐리어 재결합으로 인해 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. 본 연구에서는 금속–유기 화학 기상 증착법을 이용하여 대면적 수층 이황화몰리브덴 박막을 합성하였으며, 전구체 유량을 정밀하게 제어함으로써 두께가 잘 정의된 고품질 박막을 구현하였습니다. 또한 중심 흡수 파장이 1120 nm인 InSb 양자점을 수층 이황화몰리브덴과 결합하여 하이브리드 포토트랜지스터를 제작하였습니다. InSb 양자점으로부터 이황화몰리브덴 채널로의 전자 전달을 향상시키기 위해, 기존의 장쇄 리간드를 짧은 사슬 길이의 벤젠다이티올로 치환하는 고체상 리간드 교환 공정을 적용하였습니다. 그 결과, 본 하이브리드 포토트랜지스터는 980 nm 레이저를 10 µW cm-2의 조사 조건에서 약 3 × 102 A W⁻¹의 감도와 약 3 × 108 Jones의 검출도를 나타냈습니다. 또한 100 Hz로 변조된 광 조사 조건에서 밀리초 수준의 유효 상승 및 감쇠 시간을 보였습니다. 이와 같은 광응답 특성의 향상은 짧은 사슬 길이의 리간드 도입으로 인해 계면 장벽이 감소하고 캐리어 트래핑이 억제되면서, InSb 양자점에서 이황화몰리브덴 채널로의 전자 전달이 효율적으로 이루어진 데 기인합니다. 본 연구 결과는 금속–유기 화학 기상 증착법으로 성장한 이황화몰리브덴과 InSb 양자점 이종구조가 대면적 소자 제작이 가능한 고성능 근적외선 포토트랜지스터 플랫폼으로 활용될 수 있음을 보여줍니다.|Heterojunctions formed between quantum dots (QDs) and transition metal dichalcogenides (TMDCs) have attracted significant attention for next-generation phototransistor applications. QDs exhibit strong optical absorption and size-tunable bandgaps, enabling broad spectral tunability, while molybdenum disulfide (MoS2), a representative TMDC with high carrier mobility, provides efficient in-plane charge transport and rapid photoresponse when integrated with InSb colloidal quantum dots (CQDs). However, achieving both high responsivity and fast temporal response in 2D–0D hybrid phototransistors remains challenging due to inefficient interfacial charge transfer and trap-assisted carrier recombination. In this work, large-area few-layer MoS2 was synthesized by metal–organic chemical vapor deposition (MOCVD), where precise control of precursor flow rates enabled the growth of high-quality films with well- defined thickness. A hybrid phototransistor was fabricated by integrating the MOCVD-grown few-layer MoS2 with InSb quantum dots exhibiting an absorption band centered at 1120 nm. To promote efficient electron transfer from the InSb QDs to the MoS2 channel, a solid-state ligand exchange was employed, in which the native long-chain ligands were replaced with short-chain 1,4-benzenedithiol (1,4-BDT). As a result, the InSb QDs/MoS2 hybrid phototransistor demonstrated a responsivity of approximately 3×102 A W-1 and a detectivity of ~3 × 108 Jones under 980 nm laser illumination at a power density of 10 µW cm-2. Under 100 Hz modulated illumination, the device exhibited millisecond-scale effective rise and decay times in its transient photoresponse. The enhanced photoresponse is mainly associated with efficient electron transfer from the InSb QDs to the MoS2 channel, enabled by reduced interfacial barriers and suppressed carrier trapping afforded by the short- chain BDT ligands. These results demonstrate that MOCVD-grown MoS2–InSb QD heterostructures provide a scalable platform for high-performance near-infrared phototransistors, enabling large-area device fabrication. Keywords: MOCVD MoS2, 2d-0d hybrid phototransistor, InSb QDs