SnSe2-veldeffecttransistor met hoge aan/uit-verhouding en polariteitsschakelbare fotogeleiding

Resultaten en discussie

Figuur 1a toont een schematisch diagram van SnSe₂ FET-apparaat. De contacten zijn bedekt met een laag PMMA (type 950 A5) om ze elektrisch te isoleren van de bovenste poort, die bestaat uit een druppel DI-water dat uit een pipet is gedruppeld. Het apparaat kan worden beveiligd met een spanning aan de bovenzijde (V _tg ) aangebracht op een elektrode in contact met de DI-waterdruppel of door een backgate-spanning (V _bg ) toegepast via de SiO₂ steun. Het optische beeld van SnSe₂ vlokken met patroonelektroden wordt getoond in Fig. 1b. De source-drain gap is ongeveer 2 μm. Raman-spectroscopie werd gebruikt om SnSe₂ . te karakteriseren materiaal, zoals weergegeven in Fig. 1c. De vingerafdruk piekt op 187 cm ⁻¹ en 112 cm ⁻¹ komt overeen met de out-of-plane A _1g modus en in-plane E _g modus, die goed overeenkomt met de rapporten van anderen. Het is echter moeilijk om de dikte voor SnSe₂ . te bepalen vanaf de positie van de Raman-piek. In tegenstelling tot MoS₂ , het dikteafhankelijke kenmerk van de Raman-piekpositie is niet duidelijk [24,25,26]. Dus hebben we atomaire krachtmicroscopie (AFM) gebruikt om de vlokdikte direct te meten. Zoals getoond in Fig. 1d, is de dikte van SnSe₂ vlok is ongeveer 34 nm.

Een illustratie van SnSe₂ fototransistorapparaat en enkele basiskenmerken van de SnSe₂ vlok. een Schematische illustratie van een SnSe₂ veldeffecttransistorapparaat. b Optisch beeld van een SnSe₂ vlok met S en D die respectievelijk de bron- en afvoerelektroden in studie aanduiden. c Raman-spectrum van een SnSe₂ vlok. d Een hoogteprofiel geëxtraheerd uit de zwarte stippellijn (getoond in Fig. 1b ) bij AFM-meting

De uitgangscurve van het FET-apparaat onder verschillende backgate-spanningen gemeten in het donker wordt getoond in figuur 2a. De lineaire en symmetrische relatie van I _d -V _ds toont een ohms contact tussen de Ti/Au-elektroden en de SnSe₂ kanaal. Uit Fig. 2a vonden we dat het modulatie-effect van de geleidbaarheid van SnSe₂ door back gate spanning is zeer gering. De verhouding van I _d tussen poortspanning 30 en − 30 V is slechts 1,15 bij V _ds van 50 mV. De huidige I _d bij de achterpoort is de spanning van − 30 V zo groot als ~ 1,47 μA bij V _ds van 5 mV, die niet kon worden uitgeschakeld door backgate-spanning. Zelfs het verhogen van de grote gate-spanning tot 100 V bracht het kanaal nog steeds niet in de uit-stand als gevolg van screening van gated-potentiaal door de ultrahoge draaggolfdichtheid in de SnSe₂ , die is gerapporteerd in eerder werk van Pan en Su [12, 13]. Volgens de halfgeleidertheorie kunnen we een ruwe schatting maken van de uitputtingsbreedte W van een metaal-isolator-halfgeleider (MIS) structuur, die wordt bepaald door \( W={\left(\frac{2{\varepsilon}_r{\varepsilon}_0{\varphi}_s}{e{N}_D }\right)}^{1/2} \), waarbij φ _s is de oppervlaktepotentiaal, N _D de donoronzuiverheidsconcentratie, en ε ₀ en ε _r respectievelijk vacuüm en relatieve permittiviteit. φ . nemen _s , ε _r , N _D van 1 V, 9,97 en 1 × 10 ¹⁸ /cm ³ in de vergelijking als een conservatieve berekening, de uitputtingsbreedte W is ongeveer 22 nm, wat veel kleiner is dan de dikte van onze SnSe₂ vlok (34 nm). Het is dus gemakkelijk te begrijpen dat er geen uitputting van de elektronen is door de backgate-modulatie.

Uitgangs- en overdrachtskarakteristiek van SnSe₂ FET gemeten in het donker. Ik _d versus V _sd kenmerk van SnSe₂ FET-gated met verschillende back-gating-spanningen V _bg (een ), bij verschillende toppoortspanningen V _tg op een lineaire schaal (b ), en op verschillende V _tg in een semi-log schaal (c ). Ik _d versus V _tg kenmerk van SnSe₂ FET met V _sd variërend van 2 mV tot 10 mV in stappen van 2 mV getekend in een semi-log schaal, de inzet is een lineair geschaalde plot van I _d -V _tg kenmerk (d )

In opvallend contrast, bij gebruik van DI-water als bovenklep, is de I _d -V _ds curve vertoont een efficiënte modulatie, zelfs met een kleine gate-bias, zoals weergegeven in figuur 2b. De stroomverhouding tussen poortspanningen van 0,4 V en − 0,8 V is meer dan 10 ³ , wat duidelijker te zien is in figuur 2c, getekend op een semi-logschaal. De overdrachtscurven rond SnSe₂ FET met bovenpoort worden getoond in figuur 2d, die een typisch n-type geleidend gedrag vertoont. De spanning scant van de negatieve richting naar de positieve richting met een scansnelheid van 10 mV/s. Elektrische dubbellaags (EDL) in ionische vloeibare of vaste elektrolyt heeft een hoge capaciteit en kan worden gebruikt om een ​​zeer efficiënte ladingskoppeling te bereiken in 2D en gelaagde materialen. Langzame ladingsoverdrachtsprocessen vanwege de grote ionen in grootte en massa vereisen echter scansnelheden met een lage bias om het evenwicht op de poort-kanaalinterface te behouden. Wanneer daarentegen DI-water als diëlektrische laag wordt gebruikt, zijn zowel de H ⁺ en OH ⁻ ionen hebben een kleinere grootte en massa en water heeft een lage viscositeit. Daarom ondersteunt DI-watergating via de dubbele laag op de water-halfgeleiderinterface veel hogere spanningszwaaisnelheden en reageert het sneller dan ionische vloeistoffen-gating of vaste elektrolyt-gating. De inzet is een lineair geschaalde plot van I _d -V _tg karakteristiek. Met name DI-water als bovenste poort verbetert de transconductantie-eigenschappen van de SnSe₂ aanzienlijk FET. Als V _tg varieert van − 0,8 tot 0,4 V, I _d verandert van 9,5 × 10 ⁻¹¹ tot 7,6 × 10 ⁻⁷ A met een aan/uit stroomverhouding van ∼ 10 ⁴ . De subthreshold swing berekend op basis van de overdrachtskarakteristiek is ∼ 62 mV/decade. Deze waarden zijn goed genoeg voor praktische, laagspanningswerking van gelaagde metalen chalcogenide-FET's. De mobiliteit μ kan worden berekend met de volgende vergelijking:\( \mu =\frac{d{I}_d}{d{V}_g}\cdotp \frac{L}{W{C}_{H2O}{V}_{ sd}} \), waarbij L en W zijn de kanaallengte en -breedte (L = 2 μm, W = 5 μm), respectievelijk, en C _H2O is de DI-waterpoortcapaciteit per oppervlakte-eenheid. Hier, de capaciteit van C _H2O werd gemeten als 348 nF/cm ² , waarvoor de gedetailleerde berekening is bijgevoegd in het aanvullende materiaal (Aanvullend bestand 1:Figuur S1a en b). De verkregen elektronenmobiliteit is 127 cm ² /Vs, wat best goed is in vergelijking met andere 2D-materialen met weinig lagen. Het aanzienlijk verbeterde modulatie-effect dat wordt gerealiseerd door de toppoort met DI-water als diëlektrische laag is ooit gerapporteerd in het werk van Huang [27]. Ze pasten DI-waterpoort toe op de SnS₂ , MoS₂ , en BP schilferen en bereikten een hoge aan/uit-verhouding, een ideale swing onder de drempel en uitstekende mobiliteit. Ze schreven deze verbeteringen toe om de vlok perfect af te schermen van de omringende adsorbaten en passivering van de interfacetoestanden door de hoge k diëlektricum (ε _{r (H2O)} = 80). Het passiverings- en afschermeffect van DI-water is vergelijkbaar met dat van andere conventionele materialen met een hoog diëlektrisch vermogen, zoals HfO₂ of Al₂ O₃ [18, 19]. Bovendien is de effectieve koppeling tussen het DI-water en de SnSe₂ door de vlokranden lijkt een belangrijke rol te spelen bij het bereiken van een hoge aan/uit-verhouding, zelfs voor een dikke vlok. Vergeleken met SiO₂ back-gating, DI-watergating kan de elektrische veldafstand effectief verminderen (van enkele 100 nm tot minder dan 1 nm), dus de drempelpoortspanning nam ook af van enkele tientallen volt tot minder dan 1 V. Uit de inzetafbeelding van Fig. 2d, de kleine stroomsprong van ongeveer V _tg = 0,4 V wordt mogelijk veroorzaakt door de elektrolyse van DI-water vanwege het smalle elektrochemische venster, dat is gerapporteerd in het werk van Huang [27].

De tijdsafhankelijke foto-elektrische respons van de SnSe₂ FET bestuurd door back- of top-gating wordt getoond in Fig. 3. Interessant is dat de SnSe₂ FET toont een positieve fotostroom bij een negatieve poort en een negatieve fotostroom bij een positieve poort, ongeacht de poort via SiO₂ of van bovenpoort door DI water. Uit figuur 3a kunnen we zien dat de grootte van de fotostroom toeneemt naarmate de negatieve backgate-spanning toeneemt. Wanneer de backgate-spanning − 80 V is, is de relatieve fotogeleiding (gedefinieerd als Δσ/σ ₀ , waar σ ₀ is de donkere geleidbaarheid en Δσ is het verschil tussen σ en σ ₀ ) is 5%. Bij gebruik van DI-water als een bovenpoort, krijgen we een vergelijkbare wet zoals weergegeven in Fig. 3b. Met de spanningsinstelling van de bovenste poort als − 0,4 V, zou de relatieve fotogeleiding 6% kunnen bereiken. Het is echter gemakkelijk in te zien dat de responstijd tussen de twee soorten poorten behoorlijk verschillend is. Voor back-gating met SiO₂ als diëlektricum is de responstijd voor de opgaande flank ongeveer 30 s. Terwijl voor toppoorten met DI-water als diëlektricum de responstijd slechts 1,7 s is. Hier wordt de 10-90% stijgtijd (of 10-90% daaltijd) gedefinieerd als de responstijd. De veel snellere reactiesnelheid met DI-watergating moet verband houden met de grotere mobiliteit van de drager (127 cm ² /Vs) vanwege de effectieve screening van onzuiverheden of adsorbaatverstrooiing. Interessant is dat wanneer de poortspanning positief is, de SnSe₂ film vertoont een negatieve fotogeleiding (NPC) zoals weergegeven in Fig. 3c en d. Benadrukt moet worden dat de poortafhankelijke bipolaire fotogeleiding niet wordt veroorzaakt door de lekstroom tussen de poort en de bron. We hebben de lekstroom van I . gemeten _g bij het toepassen van een positieve of negatieve gate-bias, zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S2. Het teken van I _g volgt de richting van V _gs en is gewoon precies in strijd met het teken van afvoer-naar-bron fotostroom (I _d ). Bovendien is de grootte van I _g is veel kleiner dan I _d , zodat de impact ervan kan worden genegeerd. In NPC van SnSe₂ FET met H₂ O als diëlektricum zijn er twee kenmerken die verschillen van positieve fotogeleiding (PPC). Een daarvan is de absolute waarde van de relatieve fotogeleidingspoorten bij positieve V _tg (~ 20%) is duidelijk groter dan die poort bij min V _tg (6%). De andere is de SnSe₂ FET vertoont een veel langere responstijd (~ 30 s) bij positieve V _tg dan die bij min V _tg (1,7 s).

Tijdsafhankelijkheid van de fotorespons van SnSe₂ FET vooringenomen op V _sd = 5 mV wanneer toegepast bij verschillende negatieve back-gating-spanningen V _bg (een ), negatieve toppoortspanningen V _tg (b ), positieve back-gating-spanningen V _bg (c ), en positieve toppoortspanningen V _tg (d )

Het fenomeen van negatieve fotogeleiding (NPC) is gerapporteerd in verschillende halfgeleider nanostructuren, zoals koolstof nanobuisjes, InAs nanodraad en ZnSe nanodraad [28,29,30]. Moleculaire zuurstofadsorptie en fotodesorptie worden gewoonlijk verondersteld verantwoordelijk te zijn voor het NPC-effect. Een dergelijke uitleg is echter niet van toepassing op onze SnSe₂ systeem, aangezien zuurstofdesorptie alleen zou leiden tot een hogere elektronenconcentratie en geleidbaarheid. Om het NPC-effect en het naast elkaar bestaan ​​van NPC en PPC in SnSe₂ te begrijpen , hebben we de I . gemeten _d -V _tg krommen van SnSe₂ FET onder belichting, zoals weergegeven in Fig. 4. Voor een duidelijke vergelijking zijn ook de overdrachtscurven in het donker toegevoegd. We kunnen zien dat het apparaat een bipolaire fotogeleiding vertoont, die kan worden geschakeld door poortspanning. De overdrachtscurven gemeten onder verlichting en in het donker snijden elkaar bijna bij een poortspanning van 0  V. Daarom vertoont het apparaat een positieve fotogeleiding bij een min poortvoorspanning en een negatieve fotogeleiding bij een plus poortvoorspanning, wat in overeenstemming is met de resultaten getoond in Fig. 3. Zoals bekend is, is de geleidbaarheid σ wordt bepaald als σ = neμ , waar n , e , en μ zijn respectievelijk dragerconcentratie, elektronenlading en mobiliteit. De geleidbaarheid wordt dus bepaald door het product van dragerconcentratie en mobiliteit. In overdrachtscurve onder licht, de verandering van transconductantie g _m over de nulpoortspanning impliceert een verandering van mobiliteit. Uit de overdrachtscurven kan de mobiliteit van verlichting en donker worden berekend zoals weergegeven in tabellen 1 en 2. De mobiliteit van SnSe₂ in het donker is ongeveer 70 cm ² /Vs, terwijl de mobiliteit onder verlichting twee waarden heeft:ongeveer 60 cm ² /Vs bij min gate bias en ~ 4 cm ² /Vs bij plus gate-bias. Bij min V _tg , de mobiliteit van de lichte en donkere toestand is bijna hetzelfde, terwijl de dragerconcentratie onder lichte excitatie groter is dan die van de donkere toestand. Het apparaat vertoont dus een positieve fotogeleiding. Bij positieve V _tg , de mobiliteit is meer dan één orde kleiner dan die in het geval van negatieve V _tg , en de afname in mobiliteit overtreft de toename in dragerconcentratie en domineert de fotogeleidingsevolutie. Er treedt dus een netto negatieve fotogeleiding op ter vervanging van de positieve fotogeleiding.

Ik _d -V _tg kenmerk van SnSe₂ FET onder verlichting en in het donker

Pai Chun Wei et al. vond NPC-effect in een kleine bandafstand en gedegenereerde InN-film en schreef dit toe aan de vermindering van de mobiliteit veroorzaakt door ernstige verstrooiing van de geladen recombinatiecentra [31], die kan worden toegepast op onze SnSe₂ systeem. Maar waarom de mobiliteit afneemt wanneer de poortbias scant van de negatieve naar de positieve spanning, is niet duidelijk. We denken dat dit fenomeen zijn oorsprong vindt in een aantal staten met een tekort. De in-gap toestanden kunnen worden veroorzaakt door enkele puntdefecten, zoals Se-vacatures. Onder verlichting staat de in-gap onder E _f zal enkele fotogegenereerde gaten opvangen en positief geladen verstrooiingscentra worden. Met V _tg scannen van de negatieve naar de positieve bias, meer in-gap toestanden die onder E . vallen _f worden geladen verstrooiingscentra, wat leidt tot een afname van de mobiliteit. Er is meer werk nodig om het mechanisme van NPC volledig te begrijpen.