Transition metal dichalcogenides (TMDs) demonstrate great potential in electronic and optoelectronic applications. However, the device performance remains limited because of the poor metal contact. Herein, we fabricate a high-performance ultrathin MoTe2 phototransistor. By introducing an electron tunneling mechanism, electron injection from electrode to channel is strikingly enhanced. The electron mobility approaches 25.2 cm2 V−1 s−1, better than that of other back-gated MoTe2 FETs. Through electrical measurements at various temperatures, the electron tunneling mechanism is further confirmed. The MoTe2 phototransistor exhibits very high responsivity up to 2560 A/W which is higher than that of most other TMDs. This work may provide guidance to reduce the contact resistance at metal-semiconductor junction and pave a pathway to develop high-performance optoelectronic devices in the future.

1.
Q. H.
Wang
,
K.
Kalantar-Zadeh
,
A.
Kis
,
J. N.
Coleman
, and
M. S.
Strano
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
699
(
2012
).
2.
S. Z.
Butler
,
S. M.
Hollen
,
L.
Cao
,
Y.
Cui
,
J. A.
Gupta
,
H. R.
Gutierrez
,
T. F.
Heinz
,
S. S.
Hong
,
J.
Huang
,
A. F.
Ismach
,
E.
Johnston-Halperin
,
M.
Kuno
,
V. V.
Plashnitsa
,
R. D.
Robinson
,
R. S.
Ruoff
,
S.
Salahuddin
,
J.
Shan
,
L.
Shi
,
M. G.
Spencer
,
M.
Terrones
,
W.
Windl
, and
J. E.
Goldberger
,
ACS Nano
7
,
2898
(
2013
).
3.
D.
Jariwala
,
V. K.
Sangwan
,
L. J.
Lauhon
,
T. J.
Marks
, and
M. C.
Hersam
,
ACS Nano
8
,
1102
(
2014
).
4.
B.
Radisavljevic
,
A.
Radenovic
,
J.
Brivio
,
V.
Giacometti
, and
A.
Kis
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
147
(
2011
).
5.
K.
Xu
,
H. X.
Deng
,
Z.
Wang
,
Y.
Huang
,
F.
Wang
,
S. S.
Li
,
J. W.
Luo
, and
J.
He
,
Nanoscale
7
,
15757
(
2015
).
6.
S.
Ghatak
,
A. N.
Pal
, and
A.
Ghosh
,
ACS Nano
5
,
7707
(
2011
).
7.
O.
Lopez-Sanchez
,
D.
Lembke
,
M.
Kayci
,
A.
Radenovic
, and
A.
Kis
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
497
(
2013
).
8.
Y. F.
Lin
,
Y.
Xu
,
S. T.
Wang
,
S. L.
Li
,
M.
Yamamoto
,
A.
Aparecido-Ferreira
,
W.
Li
,
H.
Sun
,
S.
Nakaharai
,
W. B.
Jian
,
K.
Ueno
, and
K.
Tsukagoshi
,
Adv. Mater.
26
,
3263
(
2014
).
9.
N. R.
Pradhan
,
D.
Rhodes
,
S. M.
Feng
,
Y.
Xin
,
S.
Memaran
,
B. H.
Moon
,
H.
Terrones
,
M.
Terrones
, and
L.
Balicas
,
ACS Nano
8
,
5911
(
2014
).
10.
S.
Fathipour
,
N.
Ma
,
W. S.
Hwang
,
V.
Protasenko
,
S.
Vishwanath
,
H. G.
Xing
,
H.
Xu
,
D.
Jena
,
J.
Appenzeller
, and
A.
Seabaugh
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
192101
(
2014
).
11.
S.
Nakaharai
,
M.
Yamamoto
,
K.
Ueno
,
Y. F.
Lin
,
S. L.
Li
, and
K.
Tsukagoshi
,
ACS Nano
9
,
5976
(
2015
).
12.
H. L.
Xu
,
S.
Fathipour
,
E. W.
Kinder
,
A. C.
Seabaugh
, and
S. K.
Fullerton-Shirey
,
ACS Nano
9
,
4900
(
2015
).
13.
S.
Cho
,
S.
Kim
,
J. H.
Kim
,
J.
Zhao
,
J.
Seok
,
D. H.
Keum
,
J.
Baik
,
D. H.
Choe
,
K. J.
Chang
,
K.
Suenaga
,
S. W.
Kim
,
Y. H.
Lee
, and
H.
Yang
,
Science
349
,
625
(
2015
).
14.
S.
Das
,
H. Y.
Chen
,
A. V.
Penumatcha
, and
J.
Appenzeller
,
Nano Lett.
13
,
100
(
2013
).
15.
W.
Liu
,
J.
Kang
,
D.
Sarkar
,
Y.
Khatami
,
D.
Jena
, and
K.
Banerjee
,
Nano Lett.
13
,
1983
(
2013
).
16.
D. J.
Perello
,
S. H.
Chae
,
S.
Song
, and
Y. H.
Lee
,
Nat. Commun.
6
,
7809
(
2015
).
17.
W.
Wang
,
Y.
Liu
,
L.
Tang
,
Y.
Jin
,
T.
Zhao
, and
F.
Xiu
,
Sci. Rep.
4
,
6928
(
2014
).
18.
H. M.
Li
,
D. Y.
Lee
,
M. S.
Choi
,
D.
Qu
,
X.
Liu
,
C. H.
Ra
, and
W. J.
Yoo
,
Sci. Rep.
4
,
4041
(
2014
).
19.
W.
Zhang
,
M. H.
Chiu
,
C. H.
Chen
,
W.
Chen
,
L. J.
Li
, and
A. T.
Wee
,
ACS Nano
8
,
8653
(
2014
).
20.
S.
Das
and
J.
Appenzeller
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
103501
(
2013
).
21.
Z.
Yin
,
H.
Li
,
H.
Li
,
L.
Jiang
,
Y.
Shi
,
Y.
Sun
,
G.
Lu
,
Q.
Zhang
,
X.
Chen
, and
H.
Zhang
,
ACS Nano
6
,
74
(
2012
).
22.
N.
Perea-Lopez
,
A. L.
Elias
,
A.
Berkdemir
,
A.
Castro-Beltran
,
H. R.
Gutierrez
,
S. M.
Feng
,
R. T.
Lv
,
T.
Hayashi
,
F.
Lopez-Urias
,
S.
Ghosh
,
B.
Muchharla
,
S.
Talapatra
,
H.
Terrones
, and
M.
Terrones
,
Adv. Funct. Mater.
23
,
5511
(
2013
).
23.
A.
Abderrahmane
,
P. J.
Ko
,
T. V.
Thu
,
S.
Ishizawa
,
T.
Takamura
, and
A.
Sandhu
,
Nanotechnology
25
,
365202
(
2014
).
24.
P. A.
Hu
,
L. F.
Wang
,
M.
Yoon
,
J.
Zhang
,
W.
Feng
,
X. N.
Wang
,
Z. Z.
Wen
,
J. C.
Idrobo
,
Y.
Miyamoto
,
D. B.
Geohegan
, and
K.
Xiao
,
Nano Lett.
13
,
1649
(
2013
).
25.
P. A.
Hu
,
Z. Z.
Wen
,
L. F.
Wang
,
P. H.
Tan
, and
K.
Xiao
,
ACS Nano
6
,
5988
(
2012
).
26.
Z.
Wang
,
K.
Xu
,
Y.
Li
,
X.
Zhan
,
M.
Safdar
,
Q.
Wang
,
F.
Wang
, and
J.
He
,
ACS Nano
8
,
4859
(
2014
).
27.
C.
Ruppert
,
O. B.
Aslan
, and
T. F.
Heinz
,
Nano Lett.
14
,
6231
(
2014
).
28.
H. D.
Abruna
,
G. A.
Hope
, and
A. J.
Bard
,
J. Electrochem. Soc.
129
,
2224
(
1982
).
29.
A. R.
Beal
and
H. P.
Hughes
,
J. Phys. C: Solid State Phys.
12
,
881
(
1979
).
30.
J. C.
Park
,
S. J.
Yun
,
H.
Kim
,
J. H.
Park
,
S. H.
Chae
,
S. J.
An
,
J. G.
Kim
,
S. M.
Kim
,
K. K.
Kim
, and
Y. H.
Lee
,
ACS Nano
9
,
6548
(
2015
).
31.
D. H.
Keum
,
S.
Cho
,
J. H.
Kim
,
D. H.
Choe
,
H. J.
Sung
,
M.
Kan
,
H.
Kang
,
J. Y.
Hwang
,
S. W.
Kim
,
H.
Yang
,
K. J.
Chang
, and
Y. H.
Lee
,
Nat. Phys.
11
,
482
(
2015
).
32.
I. G.
Lezama
,
A.
Arora
,
A.
Ubaldini
,
C.
Barreteau
,
E.
Giannini
,
M.
Potemski
, and
A. F.
Morpurgo
,
Nano Lett.
15
,
2336
(
2015
).
33.
H.
Guo
,
T.
Yang
,
M.
Yamamoto
,
L.
Zhou
,
R.
Ishikawa
,
K.
Ueno
,
K.
Tsukagoshi
,
Z.
Zhang
,
M. S.
Dresselhaus
, and
R.
Saito
,
Phys. Rev. B
91
,
205415
(
2015
).
34.
M.
Yamamoto
,
S. T.
Wang
,
M. Y.
Ni
,
Y. F.
Lin
,
S. L.
Li
,
S.
Aikawa
,
W. B.
Jian
,
K.
Ueno
,
K.
Wakabayashi
, and
K.
Tsukagoshi
,
ACS Nano
8
,
3895
(
2014
).
35.
C.
Gong
,
H.
Zhang
,
W.
Wang
,
L.
Colombo
,
R. M.
Wallace
, and
K.
Cho
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
053513
(
2013
).
36.
T.
Loher
,
Y.
Tomm
,
C.
Pettenkofer
,
A.
Klein
, and
W.
Jaegermann
,
Semicond. Sci. Technol.
15
,
514
(
2000
).
37.
H. C.
Kim
,
H.
Kim
,
J. U.
Lee
,
H. B.
Lee
,
D. H.
Choi
,
J. H.
Lee
,
W. H.
Lee
,
S. H.
Jhang
,
B. H.
Park
,
H.
Cheong
,
S. W.
Lee
, and
H. J.
Chung
,
ACS Nano
9
,
6854
(
2015
).
38.
S.
Das
,
M.
Demarteau
, and
A.
Roelofs
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
173506
(
2015
).
39.
S.
Kim
,
A.
Konar
,
W. S.
Hwang
,
J. H.
Lee
,
J.
Lee
,
J.
Yang
,
C.
Jung
,
H.
Kim
,
J. B.
Yoo
,
J. Y.
Choi
,
Y. W.
Jin
,
S. Y.
Lee
,
D.
Jena
,
W.
Choi
, and
K.
Kim
,
Nat. Commun.
3
,
1011
(
2012
).
40.
F.
Ahmed
,
M. S.
Choi
,
X.
Liu
, and
W. J.
Yoo
,
Nanoscale
7
,
9222
(
2015
).
41.
F. H.
Koppens
,
T.
Mueller
,
P.
Avouris
,
A. C.
Ferrari
,
M. S.
Vitiello
, and
M.
Polini
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
780
(
2014
).
42.
C. H.
Liu
,
Y. C.
Chang
,
T. B.
Norris
, and
Z. H.
Zhong
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
273
(
2014
).
43.
W.
Zhang
,
J. K.
Huang
,
C. H.
Chen
,
Y. H.
Chang
,
Y. J.
Cheng
, and
L. J.
Li
,
Adv. Mater.
25
,
3456
(
2013
).
44.
Q.
Yang
,
X.
Guo
,
W.
Wang
,
Y.
Zhang
,
S.
Xu
,
D. H.
Lien
, and
Z. L.
Wang
,
ACS Nano
4
,
6285
(
2010
).
You do not currently have access to this content.