Многослойные полевые транзисторы SnSe Nanoflake с низкоомными Au-омическими контактами

Фон

Халькогениды переходных металлов имеют широкий диапазон оптических запрещенных зон, что делает эти материалы пригодными для использования в различных оптических и оптоэлектронных приложениях [1]. Тонкие пленки из этих материалов, включая PbTe, PbSe и Bi ₂ Se ₃ [2], привлекли значительное внимание в связи с перспективой их использования в устройствах инфракрасной оптоэлектроники, детекторах излучения, солнечных элементах, запоминающих устройствах и голографических записывающих устройствах [3,4,5,6,7,8]. Моно и диселениды олова (SnSe и SnSe ₂ ) были в центре внимания исследований из-за их высоких коэффициентов поглощения, что является преимуществом для оптоэлектронных приложений. Кроме того, эти материалы перспективны для использования в термоэлектрических приложениях [9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24]. Моноселенид олова (SnSe) представляет собой полупроводник p-типа с шириной запрещенной зоны для непрямых разрешенных переходов, близкой к ~ 0,9 эВ, и шириной запрещенной зоны для прямых разрешенных переходов, близкой к ~ 1,2 эВ, тогда как диселенид олова (SnSe ₂ ) является полупроводником n-типа [6]. Кристаллическая структура SnSe ромбическая, а параметры его элементарной ячейки равны a =11,496 Å, b =4,151 Å, и c =4,444 Å; эта ромбическая структура превращается в тетрагональную при высокой температуре, которая, тем не менее, ниже точки плавления SnSe ₂ [25].

В последнее время были тщательно исследованы электрические устройства на основе бинарных халькогенидов и дихалькогенидов на основе Sn, включая полевые транзисторы (FET) с общим задним затвором большой площади. В частности, большой прогресс был достигнут в характеристике полевых транзисторов на основе дихалькогенида Sn [26, 27]. В 2016 году Пей и др. . сообщил о многослойном SnSe ₂ Полевой транзистор, демонстрирующий высокое соотношение включения / выключения ~ 10 ⁴ с верхним покровным слоем из полимерного электролита [27]. Guo et al. также сообщил о маломобильном малослойном SnSe ₂ Полевой транзистор толщиной ~ 8,6 нм [28]. Из предыдущих работ было подтверждено, что тонкие пленки SnSe с низкой концентрацией носителей обеспечивают высокую подвижность и соотношение включения / выключения тока SnSe ₂ Полевые транзисторы. Несмотря на эти усилия по использованию SnSe ₂ Однако об электрических характеристиках полевых транзисторов SnSe, полученных путем расслоения из монокристаллов, не сообщалось. Подробная характеристика электрического транспорта в мало- и многослойном SnSe ₂ Для оценки электротранспортных свойств халькогенидов олова, таких как нано-чешуйки SnSe, необходимо выполнять чешуйки, поскольку ожидается, что монокристаллы SnSe будут демонстрировать высокую подвижность носителей ~ 7835 см ² / V s [29].

В данной работе мы охарактеризовали монокристаллический SnSe, выращенный модифицированным методом Бриджмена. Электротранспорт в многослойных полевых транзисторах из наночешек SnSe, полученных путем расслоения из массивных монокристаллов, впервые был охарактеризован с использованием структур полевых транзисторов с обратным затвором на SiO ₂ / Si подложки. Кроме того, влияние металлических контактов на многослойные полевые транзисторы на основе наночешек SnSe также было изучено для двух различных типов контактов (Ti / Au и Au), поскольку работа выхода металла контакта определяет проводимость дырочных носителей через барьер Шоттки на уровне Интерфейс металл-SnSe нанофлейка.

Методы

SnSe имеет слоистую ромбическую кристаллическую структуру при комнатной температуре [24]. На рис. 1a – c показаны перспективные виды кристаллической структуры SnSe вдоль a , b , и c осевые направления. Как показано на рис. 1в, пластины SnSe с двухатомным слоем имеют бороздки, тогда как легкий скол в кристаллах происходит по плоскости (100) (рис. 1б). Монокристаллы SnSe выращивали модифицированным методом Бриджмена, как описано ранее [24, 30]. Стехиометрические количества Sn (99,999% дроби, Alfa Aesar) и Se (99,999% порошка, Alfa Aesar) сначала плавили до слитка (~ 20 г) в кварцевой ампуле с двойным уплотнением. Сырье медленно нагревали до 500 ° C и выдерживали в течение 10 часов, затем выдерживали при 920 ° C в течение дополнительных 10 часов перед отключением печи. Полученный слиток растирали в порошок и помещали в кварцевую трубку конической формы, вакуумировали и запаивали пламенем. Эту заряженную кварцевую трубку конической формы помещали в кварцевую трубку большего размера. Наружная труба была заполнена газообразным аргоном для предотвращения взрыва и окисления, а затем герметизирована пламенем. Заряженную кварцевую ампулу помещали в положение, при котором градиент температуры был наибольшим в вертикальной трубчатой ​​печи. Вертикальную трубчатую печь медленно нагревали до 970 ° C в течение 20 часов, выдерживали в течение 10 часов, а затем охлаждали до 830 ° C со скоростью 0,5 ° C / час. В печи поддерживали температуру 830 ° C в течение дополнительных 24 часов, а затем охлаждали до 500 ° C со скоростью 100 ° C / ч перед отключением печи.

а - c Кристаллическая структура кристаллов SnSe по а -, b - и c -осевые направления. г Фотография выращенного монокристаллического SnSe. е Фотографии сколов кристаллов SnSe по длине a -осевая (100) плоскость. Вид сверху на плоскость скола (100) монокристалла SnSe ( правое изображение через д )

Результаты и обсуждение

Получен конусообразный кристалл SnSe (диаметр 30 мм, длина 70 мм), который показан на рис. 1г – д. Полученный кристалл разделился на две части из-за трещины, возникшей при извлечении кристалла из кварцевой ампулы (рис. 1г). Качество выращенных кристаллов SnSe проверяли с помощью порошкового рентгеновского дифрактометра (XRD, New D8-Advance, Bruker-AXS, Германия) с Cu Kα ( λ =1,5406 Å). На рисунке 2a показана рентгенограмма файла дифракции мощности (PDF) 48–1224 для ромбического SnSe вместе с картиной для кристаллографического a ось, перпендикулярная плоскости скола (100) кристалла SnSe. Как показано на рис. 2a, дифрактограмма монокристаллического SnSe убедительно указывает на однофазный ромбический кристалл с пространственной группой Pnma [31], что указывает на сильную предпочтительную ориентацию с отражениями (h00), что хорошо согласуется с предыдущим сообщением [32]. Кроме того, преобладающими пиками были (400) и (800) при 2 θ = 31,081 ° и 64,818 ° соответственно, как показано на рис. 2а [33]. Как показано на фиг. 2b, энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX) выявила атомное соотношение Sn:Se, равное 1:1, что подтверждает стехиометрическое соотношение Sn и Se (вставка на фиг. 2b). На вставках к рис. 2b также показано изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и EDX-карта полевого транзистора из нано-чешуйки SnSe с толщиной устройства 90 нм. Этот результат хорошо согласуется с предыдущими сообщениями [24, 33]. Кроме того, электропроводность монокристаллического SnSe (вставка на рис. 2б) была измерена в диапазоне температур от 30 до 300 К с использованием обычного метода четырехточечного зонда. На рис. 2с показана температурно-зависимая электропроводность монокристаллов SnSe по трем различным кристаллографическим направлениям, что указывает на схожее температурно-зависимое поведение и поведение анизотропии из-за различной подвижности дырок в SnSe вдоль различных осевых направлений. Как показано на рис. 2c, электропроводность вдоль отрезка b - и c -ось при 300 К была определена как ~ 6,00 См см ^-1 , что в ~ 2.2 раза больше, чем у a -ось (~ 2.7 См см ⁻¹ ). Этот результат хорошо согласуется с предыдущими результатами для монокристаллического SnSe [24]. На рис. 2в показана температурно-зависимая электропроводность монокристаллического SnSe для полупроводникового диапазона (30–100 K) и для металлического диапазона (> 100–300 K). При температуре выше 100 К выращенные кристаллы SnSe демонстрировали переносимость металла, что согласуется с предыдущими наблюдениями [24].

а Картина XRD монокристаллов SnSe, показывающая четкую дифракцию (h00). б EDX-спектр монокристаллов SnSe . Врезка показывает подробную информацию об атомном соотношении Sn и Se. Вставки демонстрируют SEM-изображение и EDX-карту полевого транзистора из нано-чешуйки SnSe с толщиной устройства 90 нм. c Температурно-зависимая электропроводность монокристаллов SnSe в диапазоне температур 30–300 K, измеренная с помощью метода четырехточечного зонда

Устройства на полевых транзисторах из SnSe изготавливались следующим образом. Сначала наночастицы SnSe были механически расслоены на SiO ₂ толщиной 300 нм. / p ⁺⁺ Подложка Si из монокристаллов SnSe легко раскалывается в плоскости (100) известным методом скотча (рис. 1д) [26, 27, 34]. Измерения электрического переноса в готовых индивидуальных полевых транзисторах из наночастиц SnSe проводились при комнатной температуре в конфигурации полевых транзисторов с обратным затвором. На рис. 3а схематически показаны полевые транзисторы на основе нано-чешуек SnSe с задним затвором большой площади. В данной работе на SiO ₂ были приготовлены две нано-чешуйки SnSe (нано-чешуйки SnSe толщиной 70 и 90 нм). / Si подложка. Полевые транзисторы SnSe были изготовлены с использованием стандартного метода электронно-лучевой литографии с двумя типами металлизации:Au (толщина 100 нм) и Ti / Au (толщина 10/100 нм) рассматривались как омические контакты на нанофластиках SnSe. Перед процессом металлизации было проведено травление буферным оксидом (БОЭ) для удаления полимерных и оксидных остатков с поверхностей нанофлексов. На рис. 3б показано оптическое изображение полевого транзистора из нано-пластинки SnSe с толщиной устройства 90 нм. Толщины нано-чешуек SnSe были измерены с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) при комнатной температуре (рис. 3c – d). Как показано на рис. 3b и вставке к рис. 2b, изготовленный полевой транзистор SnSe толщиной 90 нм имел длину канала ( L ) 5 мкм и шириной ( W ) 4,71 мкм, а для полевого транзистора SnSe толщиной 70 нм L составляла 5 мкм и W составляла 6 мкм. Все ток-напряжение ( I - V ) характеристики измеряли с помощью анализатора параметров полупроводников (HP 4155C, Agilent Technologies, США) на электрически экранированной станции зонда при комнатной температуре. На рисунке 4a показан ток стока ( I _d ) как функция напряжения затвора ( В _g ) для нано-чешуйки SnSe толщиной 90 нм для напряжений исток-сток ( V _ds ) от −30, 0 и 30 В при комнатной температуре, что указывает на четкое поведение полупроводника p-типа, которое в основном объясняется вакансиями Sn, как сообщалось ранее [15, 16, 22, 24, 35, 36, 37 , 38,39]. Результат на рис. 4a означает, что металлический AU с его высокой работой выхода, как ожидается, будет образовывать слабые омические контакты на нано-хлопьях SnSe, что указывает на более низкий барьер Шоттки для зоны проводимости нано-хлопьев SnSe. Более подробное обсуждение работы выхода различных металлов будет предоставлено позже. На рисунке 4b показан I _d по сравнению с V _ds для разных V _g в диапазоне от -40 до 40 В с шагом 10 В. Из рис. 4b видно, что подвижность дырок ( μ _p ) составляет ~ 2,7 см ² / V s, полученное из μ p = t _м [ L ⁄ ( туалет _бык V ds)], где t _м - проводимость (= dI _d / dV _g =2,89 × 10 ^{- 8} А / V ), L длина (~ 5,1 мкм), W ширина (~ 4,75 мкм), V _ds напряжение сток-исток (~ 1 В) полевого транзистора SnSe, а C _бык (= ε _r ε ₀ / d =11,5 нФ / см ² ) с ε _r (диэлектрическая проницаемость) 3,9 и d (толщина оксидного слоя) 300 нм - это емкость на единицу площади полевого транзистора из наночешуйчатого SnSe с обратным затвором. Оцененная подвижность дырок в механически расслоенных полевых транзисторах из нано-чешуек SnSe намного меньше, чем у эпитаксиальных тонких пленок SnSe (~ 60 см ² / V s), полученный импульсным лазерным осаждением на подложки MgO с использованием мишеней, богатых Se [40]. Однако полученное здесь значение в ~ 1,8 раза больше, чем полученное для монокристаллических нанопластин SnSe (~ 1,5 см ² / V s) [33]. Такая относительно низкая подвижность дырок может быть объяснена сильным рассеянием фононов из-за вакансий Sn на поверхности SnSe [18, 36, 41, 42] и относительно высоким барьером Шоттки на границе раздела Au-металл-нано-чешуйка SnSe.>

а Схема механически расслоенного полевого транзистора из наноластинок SnSe на SiO ₂ / p ⁺⁺ Подложка Si. б Оптическое изображение изготовленного полевого транзистора из нано-чешуек SnSe, который использовался для измерений электрического транспорта. c АСМ изображение наночешки SnSe на SiO ₂ / Si подложка. г Высотный профиль AFM нано-чешуйки SnSe для оценки толщины и изготовления полевых транзисторов

а Ток утечки ( I _d ) как функция приложенного напряжения исток-сток ( В _ds ), для напряжений затвора ( В _g ) от −30, 0 и 30 В для полевого транзистора из нано-чешуйки SnSe толщиной 90 нм при комнатной температуре. б Я _d по сравнению с V _ds для V _g в диапазоне от -40 до 40 В с шагом 10 В для полевого транзистора из нано-чешуйки SnSe толщиной 90 нм. вставка показывает I _d по сравнению с V _g для V _ds 0,8 и 1,0 В, измеренные при комнатной температуре. c Я _d по сравнению с V _ds без смещения V _g (=0) для контактов Au и Ti на полевом транзисторе из нано-чешуйки SnSe. вставка показывает сканированное с помощью АСМ изображение нановолокон SnSe. г Схемы диаграмм энергетических зон двух металлов, Au и Ti, на полупроводниках SnSe p-типа

Кроме того, мы наблюдали слабую настройку проводимости затвора в обедненной области I _d по сравнению с V _ds кривая (рис. 4c) и низкий коэффициент включения / выключения тока (~ 2 при V _ds 1 В, вставки к рис. 4в) в полевом транзисторе из наночешуйчатого p-SnSe с металлическими контактами Au. Подобное поведение было зарегистрировано для других двумерных (2D) полупроводниковых материалов с аналогичной толщиной, включая полевые транзисторы SnS (толщина ~ 50–80 нм) [43], нанопластины SnSe толщиной ~ 15,8 нм [33], ~ 80 -нм толщиной MoS ₂ [44] и SnSe толщиной ~ 84 нм ₂ [26]. Такое поведение можно объяснить эффектом конечной длины экранирования носителей заряда из-за существования поверхностного проводящего поверхностного слоя в полевых транзисторах с толщиной, превышающей длину экранирования \ (\ left (\ sqrt {\ varepsilon {K} _B T} {e } ^ 2 p \ right) \), где ε , К _B , и p - диэлектрическая проницаемость полупроводника, постоянная Больцмана и плотность дырочных носителей заряда соответственно [43].

Металлические контакты во многом определяют характеристики устройств с 2D полевыми транзисторами [45]. Чтобы определить влияние работы выхода металла на SnSe, мы рассматривали Au (работа выхода, ~ 5,1 эВ) и Ti (работа выхода, ~ 4,3 эВ) в качестве металлических контактов на нанофластиках SnSe. На рисунке 4c показан типичный I _d по сравнению с V _ds кривые без модуляции гейта ( V _g =0) для полевых транзисторов с наночешуйками SnSe с контактами из Au и Ti, что указывает на более высокое общее сопротивление для Ti (~ 15,4 МОм) по сравнению с сопротивлением для Au (~ 0,56 МОм). Таким образом, барьер Шоттки на границе металл-SnSe выше для Ti (рис. 4в). Такое поведение всегда наблюдается на всех полевых транзисторах SnSe с контактами из Ti. Как показано на рис. 4d, высота барьера Шоттки для дырок увеличивается с уменьшением работы выхода металла. Таким образом, металлы, такие как Pd, Au и Pt, с большой работой выхода, могут быть подходящими в качестве омических контактов на полевых транзисторах из нано-чешуек p-SnSe, поскольку для этих металлов высота барьера Шоттки для инжекции дырок будет ниже. Для дополнительных металлов необходимо измерить контактное сопротивление, чтобы определить их пригодность в качестве металлических контактов на нанофлейке SnSe. В настоящее время эта проблема решается с использованием метода длины передачи.

Выводы

Таким образом, многослойные наночешки SnSe были выращены, расслоены и охарактеризованы для каналов полевых транзисторов SnSe со структурой полевых транзисторов с обратным затвором на SiO ₂ / Si подложки. Измерения электропереноса продемонстрировали, что многослойные наночешки SnSe с металлическими контактами Au демонстрируют полупроводниковые характеристики p-типа с относительно низким барьером Шоттки и низким контактным сопротивлением на полевых транзисторах из расслоенных наночешек SnSe. Кроме того, мы подчеркиваем, что это исследование является первым, в котором сообщается о механически расслоенных полевых транзисторах на основе нано-чешуек SnSe, и мы уверены, что наши полевые транзисторы из нано-чешуек SnSe очень перспективны для 2D-электрических устройств, а также для приложений сбора энергии, включая будущее поколение термоэлектричества. .