Переходы ReSe₂–Au демонстрируют сильное выпрямление в диапазоне 273–340 К

Аннотация

Шотткиевский эффект в двумерных материалах важен для наноэлектроники. Плосковина ReSe₂ переносится так, чтобы висеть между Au-сточищем и Au-нанопленкой. Устройство изначально проектировалось для измерения транспортных свойств ReSe₂. Однако в эксперименте от 273 до 340 К наблюдается выпрямляющее поведение. Коэффициент выпрямления около 10. Микроструктура и элементный состав системно анализируются. По SEM-изображению под наклоном 45° установлено, что ReSe₂ и Au-пленка контактируют с Si-подложкой. Контакты ReSe₂/Si и Si/Au являются p-n гетероструктурой и шотткиевским контактом соответственно. Асимметрия обоих контактов вызывает выпрямление. Прогноз на основе теории термического испускания хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Введение

Выпрямляющее поведение металл-полупроводник контактов, где ток меняется с направлением приложенного напряжения, широко используется в шотткиевских диодах, полевых транзисторах (FET) и MOSFET. Шоттки объяснил поведение зонами обеднения на стороне полупроводника. Различия в электронной работе выхода металла и полупроводника ведут к выпрямлению (эффект Шоттки). Контакт металла с 2D полупроводником является шотткиевским, если у металла выше работа выхода для n-типа или ниже для p-типа. Эффект Шоттки металл/2D материалов применяется в микрофотодетекторах, микро-FET, газовых сенсорах и фототранзисторах. Среди 2D материалов дихалькогениды переходных металлов (TMD) привлекли внимание из-за существенной запрещенной зоны и перехода от косвенной к прямой зоне при уменьшении толщины до монослоя. Запрещенная зона обеспечивает применение TMD в FET и солнечных элементах. TMD также используются в термоэлектрике. Много экспериментов исследовали свойства и применения MoS₂, MoSe₂, WSe₂, WS₂. ReSe₂ среди TMD отличается: она относится к VII группе с дополнительным электроном в d-орбиталях, вызывая сильную в-плоскостную анизотропию. Несколько исследований исследовали электрические свойства ReSe₂ из-за особой зонной структуры. Выпрямление изучали в ReSe₂/WS₂ и ReSe₂/MoS₂ p-n гетероструктурах. FET изготавливали для изучения металл/полупроводник контактов ReSe₂/металл или ReS₂/металл.

В этом письме ReSe₂ плосковина подвешена между Au-сточищем и Au-нанолентой. Устройство изначально для измерения тепловой и электрической проводимости ReSe₂. Измерения при 340 К, 310 К, 280 К и 273 К.

Методы

Сначала fabriкировали Si-подложку с Au-электродами. 400-мм нелегированное Si оксидировали до 180 нм SiO₂, осадили 320 нм электронно-лучевой резист, Au осаждали физическим газовым осаданием для наноэлектродов и нанопленки по шаблону электронно-лучевой литографии. Резист разрабатывали, оставляя Au. SiO₂ травлили буферной фтористоводородной кислотой, Si под Au-нанопленкой — CF₄ плазмой для подвешенной нанопленки ~6 мкм над Si.

ReSe₂ плосковины синтезировали химическим газовым переходом на медной подложке. ReSe₂ переносили на Au-электроды влажным методом: ReSe₂ нанолента с медью покрывали PMMA, плавили на травящем растворе для удаления меди. После удаления меди PMMA-покрытая ReSe₂ точно перемещали над Si с Au-наноэлектродами фиксированной платформой. PMMA резали лазером, PMMA-ReSe₂ приземляли подвешенной между Au-нанопленкой и Au-наноэлектродом. PMMA удаляли погружением в KOH 3 ч. SEM изображение (Рис. 1a) показывает Au-ReSe₂-Au контакты в вертикальном виде. ReSe₂ контактирует с Au-нанолентой в секции B и с Au-электродом в секции C. Рис. 1b — схема устройства.

Направление A-B-C определено как положительное (или наоборот), приложен постоянный ток. Напряжение V через Au-ReSe₂-Au измеряли высокоточным мультиметром (Keithley 2002, 8.5 знаков), ток I — через напряжение на эталонном резисторе последовательно. I-V кривые при прямом и обратном напряжении измеряли при разных температурах в системе измерения физических свойств (Quantum Design).

Результаты и обсуждение

Рис. 2 показывает I-V кривые при 273 К, 280 К, 310 К, 340 К. Значительные асимметрии наблюдаются при всех температурах, указывая на необычное выпрямление. Токи при 277 мВ и -277 мВ используются для коэффициента выпрямления — около 10. Ток растет с температурой при заданном напряжении.

Для исследования механизма микроструктуру ReSe₂ изучали AFM (Cypher, Oxford Instruments) и Рамановской спектрометрией (Jovin Yvon T64000, 532 нм). AFM (Рис. 3a-c) показывает среднюю толщину 28 нм по профилю высоты. Рамановский спектр (Рис. 3d) с до 13 линиями высокой интенсивности соответствует спектру Wolverson et al., подтверждая триклиническую кристаллическую структуру ReSe₂.

Рис. 4 — SEM под наклоном 45°, показывающий контакт ReSe₂ и Au-нанопленки с Si-подложкой. ReSe₂-Au контакт ранее показывал омическое поведение, не отвечающее за выпрямление. Цепь состоит из Au-ReSe₂-Au и Au-ReSe₂-Si-Au. Рис. 5 — схема цепи. Si-Au контакт показывал шотткиевское поведение.

Рис. 6 — EDS данные. Карта суммарного спектра ReSe₂ в секциях 1 и 2. Средняя формула ReSe₁.₆₇ с более высоким Re, чем ReSe₂, придает p-тип свойства. Следовательно, ReSe₂-Si контакт — p-n гетероструктура с выпрямлением. Асимметрия обоих выпрямляющих контактов дает наблюдаемое выпрямление.

Ток определяется уравнением для шотткиевского контакта и p-n перехода: I = I₀ e^{qV/nkT}(1-e^{-qV/kT}), I₀ = AA*T²e^{-qΦ_B/kT}, где I₀ — насыщенный ток, q — заряд электрона, k — Болцмана, V — напряжение, A — площадь контакта, A* — эффективная постоянная Ричардсона, Φ_B — видимая высота барьера, T — температура. Температурно-зависимый идеальность n показывает отклонение от идеального шотткиевского контакта.

Расчет по уравнению (1) проверяет анализ выпрямления. Токи ReSe₂-Si (I₁) и Si-Au (I₂): I₁ = I₀₁ e^{qV/n₁kT}(1-e^{-qV/kT}), I₂ = I₀₂ e^{-qV/n₂kT}(e^{qV/kT}-1). Рис. 7 показывает, что численные результаты хорошо согласуются с экспериментом. Параметры в Таблице 1. Обратный насыщенный ток ReSe₂-Si больше Si-Au из-за большей площади контакта (Рис. 4). Обратные насыщенные токи обоих контактов растут с температурой, указывая на выпрямляющее поведение проводимости.

Идеальность ReSe₂-Si больше Si-Au из-за разных условий контакта и кристаллических структур. Рис. 4 показывает шероховатую поверхность Si из-за травления, делающую ReSe₂-Si контакт неоднородным. Неоднородность приводит к большой идеальности. Шероховатость создает много ловушечных состояний, увеличивая идеальность. Разные типы контактов дают разные идеальности. ReSe₂-Si — p-n гетероструктура, ReSe₂ и Si имеют разные структуры: триклиническая и ФЦК. Решетковый несоответствие ведет к краевым дислокациям и высокой плотности ловушек, отклоняя от идеального контакта. Si-Au — металл-полупроводник контакт, структура Si мало влияет на идеальность. Идеальности обоих контактов мало меняются с температурой. Уравнение (5) n = q/kT dV/dlnI показывает обратную пропорциональность температуре. Идеальность значительно снижается с температурой только при низких T и медленно меняется выше 300 К. Однако обратный насыщенный ток значительно растет с температурой (Таблица 1). Уравнение (2): I₀ ∝ T²exp(-qΦ_B/kT). T² и exp(-qΦ_B/kT) растут с T. Экспоненциальная зависимость exp(-qΦ_B/kT) от -qΦ_B/kT дает значительный рост. По Zhu et al., qΦ_B Au/Si при 273 К и 295 К — 0,77 и 0,79 эВ. Расчет показывает, что I₀ при 295 К в 6 раз выше чем при 273 К, объясняя рост обратного насыщенного тока.

Заключение

Наблюдается выпрямление в контактах, где ReSe₂ плосковина подвешена между Au-подложкой и Au-нанопленкой при разных температурах. SEM под наклоном 45° показывает контакт ReSe₂ и Au-нанопленки с Si, EDS дает состав ReSe₁.₆₇. Контакт ReSe₂-Si отвечает за выпрямление. ReSe₂-Si и Si-Au — оба выпрямляющие контакты, образуют другую цепь, асимметрия которых дает видимое выпрямление. Расчеты на основе уравнения шотткиевского тока с учетом Si-Au шотткиевского контакта и ReSe₂-Si p-n гетероструктуры хорошо согласуются с экспериментом.