Полевой транзистор на SnSe₂ достигает отношения вкл/выкл 10⁴ и переключаемой поляризацией фотопроводимости

Аннотация

Полевой транзистор на SnSe₂ был fabriкован на основе эксфолированного few-слойного SnSe₂ флейка, и его электрические и фотоэлектрические свойства детально исследованы. С помощью капли деионизированной (DI) воды SnSe₂ FET достигает отношения вкл/выкл ~10⁴ при смещении менее 1 В, что крайне трудно для SnSe₂ из-за его ультравысокой носительной концентрации (10¹⁸/см³). Более того, субпороговый наклон и подвижность улучшаются до ~62 мВ/декаду и ~127 см²/В·с при 300 К, что результатом эффективного экранирования жидким диэлектрическим затвором. Интересно, SnSe₂ FET демонстрирует затвор-зависимую фотопроводимость, в которой конкуренция между носительной концентрацией и подвижностью под освещением играет ключевую роль в определении поляризации фотопроводимости.

Введение

Благодаря квантовому эффекту замыкания, двухмерные (2D) атомно-слоистые материалы (ALM) ведут себя совсем иначе, чем их 3D объемные аналоги, демонстрируя уникальные и захватывающие электронные, оптические, химические, магнитные и термические свойства. 2D ALM предоставляют привлекательную платформу для фундаментальных физических и химических исследований на пределе одного атома или few-слойной толщины. Кроме того, ALM могут гибко интегрироваться с другими устройствами, предлагая больше пространства или свободы для разработки новых функций, недостижимых с существующими материалами. За прошлое десятилетие 2D ALM широко исследовали и нашли потенциальные применения в датчиках, энергетике и экологии.

Недавно, как важный член IV-VI группы, диселенид олова (SnSe₂) привлек много внимания. SnSe₂ имеет гексагональную кристаллическую структуру типа CdI₂, в которой атомы Sn сендвичены между двумя слоями гексагонально упакованных атомов Se с пространственной группой p3̄m1. В отличие от переходных металлов дихалькогенидов (TMD), SnSe₂ обладает более узкой запрещенной зоной с непрямой характеристикой в полном диапазоне толщин от объема до монослоя, что результатом участия внешних p-электронов Sn в структурной связке, в отличие от d-электронов Mo или W в MoS₂ или WS₂. SnSe₂ исследуют для отличных свойств в термоэлектрике, фазовой памяти, литий-ионных батареях и различных электронных логических устройствах. Особенно, SnSe₂ имеет более высокую электронную сродность (5,2 эВ) и поэтому особое применение в fabriкации туннельных полевых транзисторов (FET). Pan et al. систематически исследовали FET на основе механически эксфолированных SnS₂₋ₓSeₓ кристаллов с переменным содержанием селена. Они обнаружили, что сток-исходный ток (Id) не может быть полностью выключен при Se содержании x ≥ 1,2. Позже Su et al. fabriковали SnSe₂ MOSFET с высоким драйв-током (160 мкА/мкм) при 300 К с тем же результатом — отсутствием «OFF» состояния. Главная причина трудностей в получении «OFF» состояния SnSe₂ FET устройства — ультравысокая электронная плотность (10¹⁸ см⁻³ в объемном SnSe₂, по сравнению с 10¹⁶ см⁻³ в MoS₂). Поэтому эффективная модуляция переноса носителей в SnSe₂ FET — сложная задача. Bao et al. успешно выключили Id и получили отношение вкл/выкл 10⁴ при комнатной температуре при использовании HfO₂ как заднего затвора в комбинации с верхним покрывающим слоем полимерного электролита. Однако производительность SnSe₂ не выживает несколько свипов из-за необратимого структурного перехода, вызванного интеркаляцией Li⁺ в интерслой SnSe₂. Guo et al. достигли более высокого отношения вкл/выкл 10⁵ с пороговым напряжением -100 В путем разжения SnSe₂ флейка до 6,6 нм. Однако рабочая температура только 78 К, что неудобно для практического применения. Альтернативный способ усилить модуляцию переноса носителей в FET — осадка высокок диэлектрического слоя как верхнего затвора, такого как HfO₂ и Al₂O₃. Однако высокая температура осадки изменит свойства SnSe₂ слоя и ухудшит производительность устройства. Применение твердого полимерного электролитического затвора для модуляции носительной плотности — привлекательный метод благодаря высокоэффективному управлению электрическим двойным слоем (EDL), формирующимся на границе электролит-полупроводник. Но медленный ионный миграционный процесс требует низких скоростей свипа смещения для согласования. Таким образом, простой, эффективный и практический метод модуляции носителей SnSe₂ крайне востребован.

В этой работе мы использовали только каплю деионизированной (DI) воды как растворенный верхний затвор и успешно выключили канальный ток при 300 К. Более того, отношение вкл/выкл могло достичь ~4 порядков под управлением малого затворного напряжения менее 1 В. Наиболее заметно, SnSe₂ устройство демонстрирует интересную смещение-зависимую негативную и положительную фотопроводимость, для которой проанализирован возможный рабочий механизм.

Эксперименты

SnSe₂ флейк получен из высококачественных объемных кристаллов механической эксфолиацией. Затем он перенесен на Si подложку, покрытую 100 нм SiO₂. Детальный метод эксфолиации и переноса описан в работе Huang. После переноса оптической микроскопией идентифицировали выбранные флейки, а точную толщину измерили атомно-силовой микроскопией. SnSe₂ FET fabriковали стандартной фотолитографией. Ti/Au (5/50 нм) контакт осаждали термическим испарением, за которым следовала in situ отжиг при 200 °C в высоком вакууме (10⁻⁵ Па) для улучшения металлического контакта. Для DI water top-gated FET дополнительный полимерный слой (полиметилметакрилат (PMMA) тип 950 A5) наносили на устройства (spin coating 3000 об/мин, толщина ~400 нм), выпекали при 180 °C 2 мин и паттернили UV фотолитографией для открытия окон для контакта между капелью воды и каналом устройства.

Электрическая характеризация выполнялась Keithley sourcemeter 2634B на четырехзондевой станции (Signatone). Лазерный диод с длиной волны 532 нм использовался как источник света с плотностью мощности 1 мВт/мм² для изучения фотоэлектрической производительности SnSe₂ FET. Временной отклик записывали осциллографом MDO3000.

Оптические изображения получали опческим микроскопом (XTZ-2030JX с CCD камерой). Рамановская спектроскопия выполнялась на Renishaw in Via Raman Microscope при комнатной температуре с 532-нм лазерным возбуждением. AFM характеризация проводилась на микроскопе Bruker Multimode 8.

Результаты и обсуждение

Рисунок 1а показывает схемную диаграмму SnSe₂ FET устройства. Контакты покрыты слоем PMMA (тип 950 A5) для электрической изоляции от верхнего затвора, состоящего из капли DI воды, капаемой из пипетки. Устройство может быть затворено верхним затворным напряжением (Vtg), приложенным к электроду в контакте с капелью DI воды, или задним затворным напряжением (Vbg), приложенным через SiO₂ подложку. Оптическое изображение SnSe₂ флейков с паттернированными электродами показано на Рис. 1b. Источник-сток зазор около 2 мкм. Рамановская спектроскопия использовалась для характеризации SnSe₂ материала, как показано на Рис. 1c. Отпечатковые пики при 187 см⁻¹ и 112 см⁻¹ соответствуют out-of-plane A₁g моде и in-plane Eg моде соответственно, что хорошо согласуется с другими отчетами. Однако трудно определить толщину SnSe₂ из позиции Рамановского пика. В отличие от MoS₂, толщино-зависимая характеристика позиции Рамановского пика не ясна. Поэтому мы применили атомно-силовую микроскопию (AFM) для прямого измерения толщины флейка. Как показано на Рис. 1d, толщина SnSe₂ флейка около 34 нм.

Выходная кривая FET устройства под разными задними затворными напряжениями, измеренная в темноте, показана на Рис. 2a. Линейное и симметричное отношение Id-Vds демонстрирует омический контакт между Ti/Au электродами и SnSe₂ каналом. Из Рис. 2a мы обнаружили, что модуляционный эффект проводимости SnSe₂ задним затворным напряжением очень незначителен. Отношение Id между затворным напряжением 30 и -30 В составляет всего 1,15 при Vds 50 мВ. Ток Id при заднем затворном напряжении -30 В достигает ~1,47 мкА при Vds 5 мВ, который не может быть выключен задним затворным напряжением. Даже увеличение большого затворного напряжения до 100 В все равно не приводит канал в off состояние в результате экранирования затворного потенциала ультравысокой носительной плотностью в SnSe₂, о чем сообщали в предыдущих работах Pan и Su. Согласно теории полупроводников, можно сделать грубую оценку ширины обедненного слоя W металл-изолятор-полупроводник (MIS) структуры, определяемой W = (2εᵣε₀φₛ/eNᴰ)¹ᐟ², где φₛ — поверхностный потенциал, Nᴰ — донорная примесная концентрация, ε₀ и εᵣ — вакуумная и относительная проницаемость. Подставляя φₛ, εᵣ, Nᴰ = 1 В, 9,97 и 1×10¹⁸/см³ в уравнение как консервативный расчет, ширина обедненного слоя W составляет около 22 нм, что намного меньше толщины нашего SnSe₂ флейка (34 нм). Так что легко понять отсутствие обеднения электронов задней затворной модуляцией.

В ярком контрасте, при использовании DI воды как верхнего затвора, кривая Id-Vds демонстрирует эффективную модуляцию даже с малым затворным смещением, как показано на Рис. 2b. Отношение тока между затворными напряжениями 0,4 В и -0,8 В превышает 10³, что четче видно на Рис. 2c в полулогарифмическом масштабе. Передаточные кривые SnSe₂ FET с верхним затвором показаны на Рис. 2d, демонстрируя типичное n-тип поведение. Напряжение сканируется из отрицательного направления в положительное со скоростью 10 мВ/с. Электрический двойной слой (EDL) в ионных жидкостях или твердых электролитах обладает высокой емкостью и может использоваться для достижения очень эффективного зарядного сцепления в 2D и слоистых материалах. Однако медленные процессы зарядопередачи из-за больших ионов по размеру и массе требуют низких скоростей свипа смещения для поддержания равновесия на границе затвор-канал. В контрасте, при использовании DI воды как диэлектрического слоя, и H⁺, и OH⁻ ионы имеют меньший размер и массу, а вода имеет низкую вязкость. Поэтому DI water gating через двойной слой на границе вода-полупроводник поддерживает гораздо более высокие скорости свипа напряжения и быстрее реагирует, чем ионные жидкости или твердые электролиты. Inset — линейно-масштабированный график Id-Vtg характеристики. Особенно, DI вода как верхний затвор значительно улучшает транскондуктанс характеристики SnSe₂ FET. При изменении Vtg от -0,8 до 0,4 В, Id меняется от 9,5×10⁻¹¹ до 7,6×10⁻⁷ А с отношением вкл/выкл ~10⁴. Субпороговый наклон, рассчитанный из передаточной характеристики, составляет ~62 мВ/декаду. Эти значения достаточно хороши для практической низковольтной работы слоистых металл-халькогенидных FET устройств. Подвижность μ может быть рассчитана уравнением: μ = (dId/dVg)·(L/W·Cᴴ²ᴼ·Vsd), где L и W — длина и ширина канала (L=2 мкм, W=5 мкм), соответственно, и Cᴴ²ᴼ — емкость DI water- затвор на единицу площади. Здесь емкость Cᴴ²ᴼ измерена как 348 нФ/см², детальный расчет прилагается в дополнительном материале (Additional file 1: Figure S1a и b). Полученная электронная подвижность 127 см²/В·с, что довольно хорошо по сравнению с другими few-слойными 2D материалами. Существенно улучшенный модуляционный эффект, реализованный верхним затвором с DI водой как диэлектрическим слоем, когда-либо сообщался в работе Huang. Они применили DI water gate на SnS₂, MoS₂ и BP флейк и достигли высокого отношения вкл/выкл, идеального субпорогового наклона и отличной подвижности. Они атрибутировали эти улучшения идеальному экранированию флейка от амбиентных адсорбатов и пассивации интерфейсных состояний высокок диэлектриком (εᵣ(H₂O)=80). Пассивация и экранирующий эффект, предоставляемые DI водой, аналогичны тем, что от других конвенциональных высокок диэлектрических материалов, как HfO₂ или Al₂О₃. Кроме того, эффективное сцепление между DI водой и SnSe₂ через края флейка, кажется, играет важную роль в достижении высокого отношения вкл/выкл даже для толстого флейка. По сравнению с SiO₂ задним затвором, DI water gating может эффективно сократить электрическое поле расстояние (от нескольких сотен нм до менее 1 нм), так что пороговое затворное напряжение также снизилось с нескольких десятков вольт до менее 1 В. Из inset изображения Рис. 2d, небольшой скачок тока около Vtg=0,4 В возможно вызван электролизом DI воды из-за ее узкого электрохимического окна, о чем сообщали в работе Huang.

Временнозависимый фотоэлектрический отклик SnSe₂ FET, управляемый задним или верхним затвором, показан на Рис. 3. Интересно, SnSe₂ FET показывает положительный фототок при отрицательном затворе и отрицательный фототок при положительном затворе независимо от затвора — заднего через SiO₂ или верхнего через DI воду. Из Рис. 3a видно, что величина фототока увеличивается с увеличением отрицательного заднего затворного напряжения. Когда заднее затворное напряжение -80 В, относительная фотопроводимость (определенная как Δσ/σ₀, где σ₀ — темновая проводимость, Δσ — разница между σ и σ₀) составляет 5%. При использовании DI воды как верхнего затвора, мы получаем похожий закон, как показано на Рис. 3b. С верхним затворным напряжением -0,4 В, относительная фотопроводимость может достичь 6%. Однако легко видеть, что время отклика между двумя видами затвора довольно отличается. Для заднего затвора с SiO₂ как диэлектриком, время отклика для переднего фронта около 30 с. А для верхнего затвора с DI водой как диэлектриком, время отклика только 1,7 с. Здесь 10-90% время подъема (или 10-90% время спада) определяется как время отклика. Гораздо более быстрая скорость отклика с DI water gating должна быть связана с более высокой носительной подвижностью (127 см²/В·с) из-за эффективного экранирования примеси или адсорбатного рассеяния. Интересно, когда затворное напряжение положительно, SnSe₂ пленка демонстрирует негативную фотопроводимость (NPC), как показано на Рис. 3c и d. Следует подчеркнуть, что затвор-зависимая биполярная фотопроводимость не индуцирована утечкой тока между затвором и источником. Мы измерили уточный ток Ig при приложении положительного или отрицательного затворного смещения, как показано в Additional file 1: Figure S2. Знак Ig следует направлению Vgs и точно противоположен знаку стоково-источников фототока (Id). Более того, величина Ig намного меньше Id, так что ее влияние можно игнорировать. В NPC SnSe₂ FET с H₂O как диэлектриком есть две черты, отличные от положительной фотопроводимости (PPC). Одна — абсолютное значение относительной фотопроводимости при положительном Vtg (~20%) эминентно больше, чем при отрицательном Vtg (6%). Другая — SnSe₂ FET демонстрирует гораздо более длинное время отклика (~30 с) при положительном Vtg, чем при отрицательном Vtg (1,7 с).

Негативная фотопроводимость (NPC) феномен сообщали в нескольких полупроводниковых наноструктурах, таких как углеродные нанотрубки, InAs нанопроволоки и ZnSe нанопроволоки. Адсорбция кислородных молекул и фото-десорбция обычно предлагаются как ответственные за NPC эффект. Однако такое объяснение не применяется к нашей SnSe₂ системе, так как десорбция кислорода привела бы только к более высокой электронной концентрации и проводимости. Для понимания NPC эффекта и сосуществования NPC и PPC в SnSe₂, мы измерили Id-Vtg кривые SnSe₂ FET под освещением, как показано на Рис. 4. Для четкого сравнения, передаточные кривые в темноте также добавлены. Мы видим, что устройство демонстрирует биполярную фотопроводимость, которую можно переключить затворным напряжением. Передаточные кривые, измеренные под освещением и в темноте, пересекаются почти при затворном напряжении 0 В. Следовательно, устройство показывает положительную фотопроводимость при минус затворном смещении и негативную фотопроводимость при плюс затворном смещении, что согласуется с результатами на Рис. 3. Как известно, проводимость σ определяется как σ = neμ, где n, e и μ — носительная концентрация, электронный заряд и подвижность соответственно. Так что проводимость определяется произведением носительной концентрации и подвижности. В передаточной кривой под светом, изменение транскондуктанса gm через нулевое затворное напряжение подразумевает изменение подвижности. Из передаточных кривых, подвижность освещения и темноты может быть рассчитана, как показано в Таблицах 1 и 2. Подвижность SnSe₂ в темноте около 70 см²/В·с, в то время как подвижность под освещением имеет два значения: около 60 см²/В·с при минус затворном смещении и ~4 см²/В·с при плюс затворном смещении. При отрицательном Vtg, подвижность светового и темнового состояния почти одинакова, в то время как носительная концентрация под световым возбуждением больше, чем в темновом состоянии. Так что устройство демонстрирует положительную фотопроводимость. При положительном Vtg, подвижность более чем на порядок меньше, чем в случае отрицательного Vtg, и снижение подвижности превышает увеличение носительной концентрации и доминирует в эволюции фотопроводимости. Таким образом, нетто негативная фотопроводимость возникает вместо положительной фотопроводимости.

Pai-Chun Wei et al. обнаружили NPC эффект в узкозонном и вырожденном InN ф ilm и приписали его депрессии подвижности, вызванной сильным рассеянием от заряженных рекомбинационных центров, что может применяться к нашей SnSe₂ системе. Но почему подвижность снижается, когда затворное смещение сканируется из отрицательного в положительное напряжение, неясно. Мы считаем, что этот феномен исходит от некоторых внюзонных состояний. Внюзонные состояния могут быть вызваны некоторыми точечными дефектами, такими как Se вакансии. Под освещением, внюзонные состояния ниже Ef заловляют некоторые фотогенерированные дыры и становятся положительно заряженными рассеяющими центрами. С Vtg сканированием из отрицательного в положительное смещение, больше внюзонных состояний, падающих ниже Ef, становятся заряженными рассеяющими центрами, приводя к снижению подвижности. Дальнейшая работа необходима для полного понимания механизма NPC.

Заключение

В итоге, SnSe₂ полевой транзистор (FET) fabriкован на основе SnSe₂ флейка, эксфолированного из однокристалла. С каплей воды как верхнего диэлектрического затвора, мы успешно выключили устройство с высоким отношением тока ~10⁴. По сравнению с SiO₂ диэлектрическим затвором, DI вода эминентно улучшает транспортное поведение SnSe₂ FET с идеальным субпороговым наклоном ~62 мВ/декаду и отличной электронной подвижностью ~127 см²/В·с при 300 К. Особенно, SnSe₂ FET демонстрирует биполярную фотопроводимость, когда верхнее затворное смещение сканируется от -0,4 до +0,4 В. Поляризацию можно переключить знаком затворного напряжения. При отрицательном затворном смещении, положительная фотопроводимость доминируется увеличением носительной концентрации. В то время как при положительном смещении, негативная фотопроводимость вызвана резким падением подвижности. Конкуренция между носительной концентрацией и подвижностью определяет эволюцию фотопроводимости. С представленным в этой работе простым методом растворенного затвора, SnSe₂ FET демонстрирует отличные электрические свойства и одновременно представляет интересную поляризационно-переключаемую фотопроводимость, что откроет новый модуляционный путь для высокопроизводительных оптоэлектронных устройств.

Аббревиатуры

2D:

Двухмерный

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

ALMs:

Атомно-слоистые материалы

DI:

Деионизированный

FETs:

Полевые транзисторы

MIS:

Металл-изолятор-полупроводник

NPC:

Негативная фотопроводимость

PMMA:

Полиметилметакрилат

PPC:

Положительная фотопроводимость

TMDs:

Переходные металлы дихалькогениды