Полевой транзистор SnSe2 с высоким коэффициентом включения / выключения и переключаемой полярностью фотопроводимости

Введение

Из-за эффекта квантового ограничения двумерные (2D) атомно-слоистые материалы (ALM) ведут себя совершенно иначе, чем их трехмерные объемные аналоги, демонстрируя некоторые уникальные и захватывающие электронные, оптические, химические, магнитные и термические свойства [1]. 2D ALM обеспечивают привлекательную платформу для фундаментальных физических и химических исследований на пределе толщины одного атома или нескольких слоев. Более того, ALM можно гибко интегрировать с другими устройствами, предлагая больше места или свободу для разработки новых функций, недоступных для существующих материалов. За последнее десятилетие 2D ALM были широко исследованы и нашли потенциальное применение в таких областях, как датчики, энергия и окружающая среда [2, 3].

В последнее время, как важный член группы IV-VI, диселенид олова (SnSe ₂ ) привлекла много внимания. SnSe ₂ имеет гексагональный CdI ₂ кристаллическая структура, в которой атомы Sn зажаты двумя слоями гексагонально упакованных атомов Se с пространственной группой \ (\ mathrm {p} \ overline {3} \ mathrm {m} 1 \) [4]. В отличие от дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ), SnSe ₂ обладает более узкой запрещенной зоной с непрямой характеристикой запрещенной зоны во всем диапазоне толщин от объема до монослоя, что является результатом того, что внешние p-электроны Sn участвуют в структурной связи, в отличие от d-электронов Mo или W в MoS ₂ или WS ₂ [5]. SnSe ₂ Было исследовано, что он обладает превосходными свойствами в термоэлектриках, памяти с фазовым переходом, литий-ионных батареях и различных электронных логических устройствах [4, 6,7,8,9]. В частности, SnSe ₂ имеет более высокое сродство к электрону (5,2 эВ) и поэтому имеет специальное применение при изготовлении туннельных полевых транзисторов (FET) [9,10,11]. Pan et al. систематически исследованные полевые транзисторы на основе механически расслоенного SnS _{2 - x} Se _x кристаллы с различным содержанием селена [12]. Они обнаружили, что ток сток-исток ( I _d ) нельзя полностью отключить, если содержание Se достигает x =1,2 или выше. Позже Су и др. изготовили SnSe ₂ МОП-транзистор с высоким током возбуждения (160 мкА / мкм) при 300 К с тем же результатом отсутствия состояния «ВЫКЛ» [13]. Основная причина трудности получения состояния «ВЫКЛ» SnSe ₂ Устройство на полевом транзисторе имеет сверхвысокую концентрацию электронов (10 ¹⁸ см ⁻³ оптом SnSe ₂ , по сравнению с 10 ¹⁶ см ⁻³ в MoS ₂ ) [14, 15]. Следовательно, эффективная модуляция транспорта носителей в SnSe ₂ Полевые транзисторы - сложная работа. Бао и др. успешно выключил I _d и получили соотношение включения / выключения 10 ⁴ при комнатной температуре при использовании HfO ₂ как задний затвор в сочетании с верхним заглушающим слоем из полимерного электролита. Однако производительность SnSe ₂ не может пережить несколько зачисток из-за необратимого структурного перехода, вызванного Li ⁺ внедрение в прослойку SnSe ₂ [16]. Guo et al. достигло более высокого коэффициента включения / выключения тока 10 ⁵ с пороговым напряжением - 100 В за счет прореживания SnSe ₂ чешуйки до 6,6 нм [17]. Однако рабочая температура составляет всего 78 К, что неудобно для практического применения. Альтернативный способ усиления модуляции переноса носителей в полевых транзисторах - это нанесение диэлектрического слоя с высоким k в качестве верхнего затвора, такого как HfO ₂ и Al ₂ О ₃ [18, 19]. Однако высокая температура осаждения изменит свойства SnSe ₂ слоя и еще больше ухудшают производительность устройства. Использование затвора из твердого полимерного электролита для модуляции плотности носителей является привлекательным методом благодаря высокоэффективному управлению двойным электрическим слоем (EDL), образованным на границе раздела между электролитом и полупроводником [20,21,22]. Но вялый процесс ионной миграции требует для соответствия скорости развертки с низким смещением. Итак, простой, эффективный и практичный метод модуляции носителей SnSe ₂ очень требовательный.

В этой работе мы использовали только каплю деионизированной (DI) воды в качестве верхнего затвора раствора и успешно отключили ток в канале при 300 К. Более того, соотношение включения / выключения могло достигать ~ 4 порядков, контролируемых небольшим напряжением на затворе. менее 1 В. Что еще более поразительно, SnSe ₂ Устройство демонстрирует интересную зависимую от смещения отрицательную и положительную фотопроводимость, в которой был проанализирован возможный рабочий механизм.

Эксперименты

SnSe ₂ хлопья были получены из высококачественных объемных кристаллов путем механического расслоения. Затем его перенесли на кремниевую пластину, покрытую 100 нм SiO ₂ . . Подробный метод отшелушивания и переноса описан в статье Хуанга [23]. После переноса использовалась оптическая микроскопия для идентификации выбранных чешуек, а точная толщина была измерена с помощью атомно-силовой микроскопии. SnSe ₂ Полевые транзисторы изготавливались методом стандартной фотолитографии. Контакт Ti / Au (5/50 нм) был нанесен с помощью термического испарителя с последующим отжигом in situ при 200 ° C в высоком вакууме (10 ⁻⁵ Па) для улучшения металлического контакта. Для полевых транзисторов с ДИ-водой с верхним затвором на устройства был нанесен дополнительный полимерный слой (полиметилметакрилат (ПММА) типа 950 A5) (центрифугирование при 3000 об / мин, толщина ∼400 нм), запеченный при 180 ° C в течение 2 минут, и с рисунком УФ-фотолитографии, открывающим окна для контакта между каплей воды и каналом устройства.

Электрические характеристики были выполнены с помощью источника Keithley 2634B на станции с четырьмя зондами (Signatone). В качестве источника света использовался лазерный диод с длиной волны 532 нм с плотностью мощности 1 мВт / мм ² . изучить фотоэлектрические характеристики SnSe ₂ FET. Временная характеристика была записана осциллографом MDO3000.

Оптические изображения получали с помощью оптического микроскопа (XTZ-2030JX с камерой CCD). Спектр комбинационного рассеяния был получен в микроскопе Renishaw in Via Raman при комнатной температуре с лазерным возбуждением на длине волны 532 нм. АСМ-характеристики были получены с помощью микроскопа Bruker Multimode 8.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1а представлена ​​принципиальная схема SnSe ₂ . Устройство на полевом транзисторе. Контакты покрыты слоем ПММА (тип 950 A5), чтобы электрически изолировать их от верхнего затвора, который состоит из капли деионизированной воды, капающей из пипетки. Устройство может управляться напряжением верхнего затвора ( В _tg ), приложенного к электроду, контактирующему с каплей воды DI, или напряжением на затворе ( V _bg ) применяется через SiO ₂ служба поддержки. Оптическое изображение SnSe ₂ чешуйки с узорчатыми электродами показаны на рис. 1б. Зазор исток-сток составляет около 2 мкм. Рамановская спектроскопия была использована для характеристики SnSe ₂ материал, как показано на рис. 1c. Пик отпечатка пальца составляет 187 см ⁻¹ . и 112 см ⁻¹ соответствует внеплоскостному A _{1 г} режим и в плоскости E _g соответственно, что хорошо согласуется с другими сообщениями. Однако определить толщину SnSe ₂ сложно. от положения пика комбинационного рассеяния. В отличие от MoS ₂ , зависящая от толщины характеристика положения пика комбинационного рассеяния не ясна [24,25,26]. Поэтому мы применили атомно-силовую микроскопию (АСМ) для прямого измерения толщины чешуек. Как показано на рис. 1d, толщина SnSe ₂ размер чешуек составляет около 34 нм.

Иллюстрация SnSe ₂ фототранзистор и некоторые основные характеристики SnSe ₂ хлопья. а Схематическое изображение SnSe ₂ устройство на полевом транзисторе. б Оптическое изображение SnSe ₂ S и D обозначают исследуемые электроды истока и стока соответственно. c Рамановский спектр SnSe ₂ хлопья. г Профиль высоты, извлеченный из черной пунктирной линии (показанной на фиг. 1 b ) в измерениях AFM

Выходная кривая полевого транзистора при различных значениях напряжения на заднем затворе, измеренная в темноте, показана на рис. 2а. Линейное и симметричное соотношение I _d -V _ds демонстрирует омический контакт между электродами Ti / Au и SnSe ₂ канал. Из рис. 2а мы обнаружили, что эффект модуляции проводимости SnSe ₂ Напряжение на заднем затворе очень невелико. Соотношение I _d между напряжением затвора 30 и -30 В составляет всего 1,15 при В _ds 50 мВ. Текущий I _d при напряжении на заднем затворе -30 В до ~ 1,47 мкА при В _ds 5 мВ, которые нельзя было отключить напряжением на затворе. Даже увеличение большого напряжения затвора до 100 В все еще не переводило канал в выключенное состояние из-за экранирования стробируемого потенциала сверхвысокой плотностью носителей в SnSe ₂ , о чем сообщалось в предыдущих работах Пана и Су [12, 13]. Согласно теории полупроводников, мы можем сделать грубую оценку ширины обеднения W структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), которая определяется \ (W ={\ left (\ frac {2 {\ varepsilon} _r {\ varepsilon} _0 {\ varphi} _s} {e {N} _D) } \ right)} ^ {1/2} \), где φ _s - поверхностный потенциал, N _Д концентрация донорной примеси, а ε ₀ и ε _r вакуум и относительная диэлектрическая проницаемость соответственно. Принимая φ _s , ε _r , N _Д 1 В, 9,97 и 1 × 10 ¹⁸ / см ³ в уравнение в качестве консервативного расчета ширина истощения W составляет около 22 нм, что намного меньше, чем толщина нашего SnSe ₂ чешуйка (34 нм). Итак, легко понять отсутствие обеднения электронами из-за модуляции обратного затвора.

Выходная и передаточная характеристика SnSe ₂ Полевой транзистор измеряется в темноте. Я _d по сравнению с V _SD характеристика SnSe ₂ Полевой транзистор, закрытый при разных напряжениях обратного затвора V _bg ( а ), при разных напряжениях верхнего затвора V _tg в линейном масштабе ( b ), и при разных V _tg в полулогарифмическом масштабе ( c ). Я _d по сравнению с V _tg характеристика SnSe ₂ Полевой транзистор с V _SD в диапазоне от 2 мВ до 10 мВ с шагом 2 мВ в полулогарифмическом масштабе, на вставке - график с линейным масштабом I _d -V _tg характеристика ( d )

В отличие от этого, при использовании деионизированной воды в качестве верхнего клапана I _d -V _ds кривая демонстрирует эффективную модуляцию даже при небольшом смещении затвора, как показано на рис. 2b. Соотношение токов между напряжениями затвора 0,4 В и -0,8 В более 10 ³ , что более отчетливо видно из рис. 2в в полулогарифмическом масштабе. Кривые передачи о SnSe ₂ Полевые транзисторы с верхним затвором показаны на рис. 2d, который показывает типичное поведение проводимости n-типа. Напряжение сканируется от отрицательного направления к положительному со скоростью сканирования 10 мВ / с. Двойной электрический слой (EDL) в ионной жидкости или твердом электролите обладает высокой емкостью и может использоваться для достижения очень эффективной связи заряда в 2D и слоистых материалах. Однако медленные процессы переноса заряда из-за большого размера и массы ионов требуют низкой скорости сканирования смещения для поддержания равновесия на границе раздела затвор-канал. Напротив, при использовании деионизированной воды в качестве диэлектрического слоя как H ⁺ и ОН ^- ионы имеют меньший размер и массу, а вода имеет низкую вязкость. Следовательно, стробирование DI-воды через двойной слой на границе раздела вода-полупроводник поддерживает гораздо более высокие скорости развертки напряжения и реагирует быстрее, чем стробирование ионной жидкости или затвор с твердым электролитом. На вставке - график с линейным масштабом I _d -V _tg характеристика. Примечательно, что деионизированная вода в качестве верхнего затвора значительно улучшает характеристики крутизны SnSe ₂ FET. Как V _tg варьируется от - 0,8 до 0,4 В, I _d изменяется с 9,5 × 10 ⁻¹¹ до 7,6 × 10 ⁻⁷ A с коэффициентом тока включения / выключения ∼ 10 ⁴ . Подпороговый размах, рассчитанный по передаточной характеристике, составляет ~ 62 мВ / декаду. Эти значения достаточно хороши для практической низковольтной работы устройств на полевых транзисторах со слоистыми халькогенидами металлов. Подвижность μ можно рассчитать по следующему уравнению:\ (\ mu =\ frac {d {I} _d} {d {V} _g} \ cdotp \ frac {L} {W {C} _ {H2O} {V} _ { sd}} \), где L и W длина и ширина канала ( L = 2 мкм, W =5 мкм) соответственно и C _H2O - емкость DI водяного затвора на единицу площади. Здесь емкость C _H2O было измерено как 348 нФ / см ² , для которой подробный расчет прилагается в дополнительном материале (Дополнительный файл 1:Рисунок S1a и b). Полученная подвижность электронов составляет 127 см ² / Vs, что неплохо по сравнению с другими многослойными 2D-материалами. Существенно улучшенный эффект модуляции, реализуемый верхним затвором с деионизированной водой в качестве диэлектрического слоя, когда-либо сообщался в работе Хуанга [27]. Они применили водяной затвор DI на SnS ₂ , MoS ₂ , и BP flake и достигли высокого отношения включения / выключения, идеального подпорогового колебания и отличной подвижности. Они объяснили эти улучшения идеальной защитой хлопьев от адсорбатов окружающей среды и пассивацией межфазных состояний за счет высокого k диэлектрик ( ε _{r (H2O)} =80). Эффект пассивации и экранирования, обеспечиваемый деионизированной водой, аналогичен эффекту других обычных материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, таких как HfO ₂ . или Al ₂ О ₃ [18, 19]. Кроме того, эффективная связь между деионизированной водой и SnSe ₂ сквозь края хлопьев, по-видимому, играет важную роль в достижении высокого отношения включения / выключения даже для толстых хлопьев. По сравнению с SiO ₂ с обратным стробированием, DI-водяной затвор может эффективно уменьшить расстояние электрического поля (от нескольких 100 нм до менее 1 нм), поэтому пороговое напряжение затвора также снизилось с нескольких десятков вольт до менее 1 В. Из вставки на рис. 2d, небольшой скачок тока около V _tg =0,4 В, возможно, вызвано электролизом деионизированной воды из-за ее узкого электрохимического окна, о чем сообщалось в работе Хуанга [27].

Зависящий от времени фотоэлектрический отклик SnSe ₂ Полевой транзистор, управляемый задним или верхним стробированием, показан на рис. 3. Интересно, что SnSe ₂ Полевой транзистор показывает положительный фототок при отрицательном затворе и отрицательный фототок при положительном затворе независимо от стробирования от заднего затвора через SiO ₂ или через верхнюю заслонку через прямую воду. Из рис. 3а видно, что величина фототока увеличивается с увеличением отрицательного напряжения на заднем затворе. Когда напряжение на заднем затворе составляет -80 В, относительная фотопроводимость (определяемая как Δσ / σ ₀ , где σ ₀ - темновая проводимость и Δσ разница между σ и σ ₀ ) составляет 5%. При использовании деионизированной воды в качестве верхнего затвора мы получаем закон, аналогичный показанному на рис. 3b. При напряжении верхнего затвора, равном -0,4 В, относительная фотопроводимость может достигать 6%. Однако легко увидеть, что время отклика между двумя видами стробирования сильно различается. Для обратного стробирования с SiO ₂ в качестве диэлектрика время отклика на переднем фронте составляет около 30 с. В то время как для верхнего стробирования с деионизированной водой в качестве диэлектрика время отклика составляет всего 1,7 с. Здесь время нарастания 10–90% (или время спада 10–90%) определяется как время отклика. Более быстрая скорость отклика с DI-водозабором должна быть связана с более высокой подвижностью носителя (127 см ² / Vs) за счет эффективного экранирования примесей или рассеяния адсорбатов. Интересно, что когда напряжение затвора положительное, SnSe ₂ пленка демонстрирует отрицательную фотопроводимость (NPC), как показано на рис. 3c и d. Следует подчеркнуть, что биполярная фотопроводимость, зависящая от затвора, не индуцируется током утечки между затвором и истоком. Мы измерили ток утечки I _g при применении положительного или отрицательного смещения затвора, как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S2. Знак Я _g следует в направлении V _GS и прямо противоположно знаку фототока сток-исток ( I _d ). Причем величина I _g намного меньше, чем I _d , поэтому его влияние можно игнорировать. В NPC SnSe ₂ Полевой транзистор с H ₂ O как диэлектрик имеет две особенности, которые отличаются от положительной фотопроводимости (PPC). Один - это абсолютное значение относительной фотопроводимости стробирования при положительном V _tg (~ 20%) значительно больше, чем стробирование при отрицательном V _tg (6%). Другой - SnSe ₂ Полевой транзистор демонстрирует гораздо большее время отклика (~ 30 с) при положительном V _tg чем при отрицательном V _tg (1,7 с).

Временная зависимость фотоотклика SnSe ₂ FET смещен на V _SD =5 мВ при различных отрицательных напряжениях обратного затвора В _bg ( а ), отрицательные напряжения верхнего затвора В _tg ( б ), положительное обратное напряжение В _bg ( c ), и положительные напряжения верхнего затвора V _tg ( д )

Явление отрицательной фотопроводимости (NPC) было зарегистрировано в нескольких полупроводниковых наноструктурах, таких как углеродные нанотрубки, нанопроволока InAs и нанопроволока ZnSe [28,29,30] . Обычно предполагается, что за эффект NPC ответственны молекулярная адсорбция и фотодесорбция кислорода. Однако такое объяснение не относится к нашему SnSe ₂ Система, поскольку десорбция кислорода приведет только к более высокой концентрации электронов и проводимости. Чтобы понять эффект NPC и сосуществование NPC и PPC в SnSe ₂ , мы измерили I _d -V _tg кривые SnSe ₂ Полевой транзистор при освещении, как показано на рис. 4. Для наглядности сравнения кривые передачи в темноте также добавлены. Мы можем видеть, что устройство демонстрирует биполярную фотопроводимость, которую можно переключать с помощью напряжения затвора. Кривые передачи, измеренные при освещении и в темноте, пересекаются почти при напряжении затвора 0 В. Таким образом, устройство показывает положительную фотопроводимость при отрицательном смещении затвора и отрицательную фотопроводимость при положительном смещении затвора, что согласуется с результатами. показано на рис. 3. Как известно, проводимость σ определяется как σ = neμ , где n , e , и μ - концентрация носителей, заряд электрона и подвижность соответственно. Итак, проводимость определяется произведением концентрации носителей на подвижность. На кривой передачи при освещении изменение крутизны g _м при нулевом напряжении на затворе подразумевает изменение подвижности. По кривым передачи можно рассчитать подвижность освещения и темноты, как показано в таблицах 1 и 2. Подвижность SnSe ₂ в темноте около 70 см ² / Vs, а подвижность при освещении имеет два значения:около 60 см ² / Vs при отрицательном смещении затвора и ~ 4 см ² / Vs при плюсовом смещении затвора. При отрицательном V _tg , подвижность светлого и темного состояния почти одинакова, а концентрация носителей при световом возбуждении больше, чем в темном состоянии. Итак, устройство демонстрирует положительную фотопроводимость. При положительном V _tg , подвижность более чем на порядок меньше, чем в случае отрицательного V _tg , а уменьшение подвижности превышает увеличение концентрации носителей и доминирует в эволюции фотопроводимости. Таким образом, вместо положительной фотопроводимости возникает чистая отрицательная фотопроводимость.

Я _d -V _tg характеристика SnSe ₂ Полевой транзистор при освещении и в темноте

Pai-Chun Wei et al. обнаружили эффект NPC в малой запрещенной зоне и вырожденной пленке InN и приписали его снижению подвижности, вызванному сильным рассеянием на заряженных центрах рекомбинации [31], что может быть применено к нашему SnSe ₂ система. Но почему подвижность уменьшается, когда стробирующее смещение сканирует от отрицательного к положительному напряжению, не ясно. Мы полагаем, что это явление происходит из-за некоторых состояний «зазоры». Внутрищелевые состояния могут быть вызваны некоторыми точечными дефектами, например вакансиями Se. При освещении состояния в промежутке ниже E _f захватят некоторые фотогенерированные дырки и станут положительно заряженными центрами рассеяния. С V _tg сканирование от отрицательного к положительному смещению, большее количество состояний в зазоре опускается ниже E _f становятся центрами заряженного рассеяния, что приводит к снижению подвижности. Необходима дальнейшая работа, чтобы полностью понять механизм NPC.

Выводы

Таким образом, SnSe ₂ полевой транзистор (FET) изготовлен на основе SnSe ₂ чешуйка отслоилась от монокристалла. С каплей воды в качестве верхнего диэлектрического затвора мы успешно отключили устройство с высоким коэффициентом отклонения тока ~ 10 ⁴ . По сравнению с SiO ₂ диэлектрический затвор, деионизированная вода может значительно улучшить транспортные свойства SnSe ₂ Полевой транзистор с идеальным подпороговым размахом ~ 62 мВ / декаду и отличной подвижностью электронов ~ 127 см ² V ^-1 s ⁻¹ при 300 К. Особенно SnSe ₂ Полевой транзистор демонстрирует биполярную фотопроводимость, когда смещение верхнего затвора изменяется от -0,4 до + 0,4 В. Полярность может быть переключена знаком напряжения затвора. При отрицательном смещении затвора в положительной фотопроводимости преобладает увеличение концентрации носителей заряда. При положительном смещении отрицательная фотопроводимость вызвана резким падением подвижности. Конкуренция между концентрацией носителей и подвижностью определяет эволюцию фотопроводимости. С помощью простого метода решения затвора, представленного в этой работе, SnSe ₂ Полевой транзистор демонстрирует превосходные электрические свойства и в то же время представляет интересную фотопроводимость с переключаемой полярностью, которая открывает новый способ модуляции для высокопроизводительных оптоэлектронных устройств.

Сокращения

2D:

Двумерный

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

ALM:

Атомно-слоистые материалы

DI:

Деионизированный

полевые транзисторы:

Полевые транзисторы

MIS:

Металл-диэлектрик-полупроводник

NPC:

Отрицательная фотопроводимость

PMMA:

Полиметилметакрилат

PPC:

Положительная фотопроводимость

TMD:

Дихалькогениды переходных металлов