Hoogpresterende SnSe Nanoflakken Veld-Effect Transistoren met Lage-Weerstand Gouden Ohmische Contacten

Samenvatting

We rapporteren p-type tinmonoselenide (SnSe) einkristallen, gegroeid in dubbel-gezegelde kwartsampullen met een gewijzigde Bridgman-techniek bij 920 °C. Röntgenpoederdiffractie (XRD) en energiedispersieve Röntgenspectroscopie (EDX) metingen bevestigen duidelijk dat de gegroeide SnSe bestaat uit einkristallijne SnSe. Elektrisch transport van meervoudige SnSe nanoflakken, die geprepareerd werden door exfoliatie van bulk einkristallen, werd uitgevoerd met behulp van back-gated veld-effect transistor (FET) structuren met Au en Ti contacten op SiO₂/Si substraten, wat onthulde dat meervoudige SnSe nanoflakken p-type halfgeleidereigenschappen vertonen ten gevolge van Sn-vacatures op de oppervlaktes van SnSe nanoflakken. Daarnaast werd een sterk drager-schermingseffect waargenomen in 70-90 nm dikke SnSe nanoflak FETs. Verder wordt het effect van de metaalcontacten op meervoudige SnSe nanoflak-gebaseerde FETs ook besproken met twee verschillende metalen, zoals Ti/Au en Au contacten.

Achtergrond

Overgangmetaalchalcogeniden bieden een bereik aan optische bandgaten, wat deze materialen geschikt maakt voor gebruik in diverse optische en opto-elektronische toepassingen. Dunne films van deze materialen, inclusief PbTe, PbSe, en Bi₂Se₃, hebben veel aandacht getrokken vanwege hun potentiële gebruik in infrarood-opto-elektronische apparaten, stralingsdetectoren, zonnecellen, geheugenapparaten en holografische opnameapparaten. Tin mono- en diseleniden (SnSe en SnSe₂) zijn in het zonnelicht van onderzoek gekomen, vanwege hun hoge absorptiecoëfficiënten, wat voordelig is voor opto-elektronische toepassingen. Daarnaast zijn deze materialen veelbelovend voor gebruik in thermo-elektrische toepassingen. Tinmonoselenide (SnSe) is een p-type halfgeleider met een bandgat voor indirecte toegestane overgangen dichtbij ~0,9 eV en dat voor directe toegestane overgangen dichtbij ~1,2 eV, terwijl tin diselenide (SnSe₂) een n-type halfgeleider is. De kristalstructuur van SnSe is orthorombisch, en de eenheidscelparameters zijn a = 11,496 Å, b = 4,151 Å, en c = 4,444 Å; deze orthorombische structuur transformeert bij hoge temperatuur in een tetragonale structuur die niettemin lager is dan het smeltpunt van SnSe₂.

Recentelijk zijn Sn-gebaseerde binaire chalcogenide en dichalcogenide elektrische apparaten, inclusief veld-effect transistoren (FETs) met een groot oppervlak gemeenschappelijke back gate, uitgebreid onderzocht. Vooral is veel vooruitgang geboekt in het karakteriseren van Sn dichalcogenide-gebaseerde FETs. In 2016 rapporteerden Pei et al. een few-layer SnSe₂ FET, demonstrerend een hoge on/off ratio van ~10⁴ met een top capping laag van een polymeer elektrolyt. Guo et al. rapporteerden ook een hoge-mobiliteit few-layer SnSe₂ FET met een dikte van ~8,6 nm. Eerder werk bevestigde dat dunne en lage-dragerconcentratie SnSe films hoge mobiliteit en stroom on/off ratio van SnSe₂ FETs opleveren. Ondanks deze inspanningen in het benutten van SnSe₂, is elektrisch karakterisering van SnSe FETs, geprepareerd door exfoliatie van einkristallen, niet gerapporteerd. Een gedetailleerde karakterisering van elektrisch transport in few- en meervoudige SnSe₂ flakken moet uitgevoerd worden voor het beoordelen van de elektrische transporteigenschappen van tin chalcogeniden, zoals SnSe nanoflakken, omdat einkristallijne SnSe verwacht worden een hoge drager-mobiliteit van ~7835 cm²/V s te vertonen.

In dit werk karakteriseerden we einkristallijne SnSe gegroeid door gebruik te maken van een gewijzigde Bridgman-methode. Elektrisch transport in meervoudige SnSe nanoflak FETs geprepareerd door exfoliatie van bulk einkristallen werd voor de eerste keer gekarakteriseerd met behulp van back-gated FET structuren op SiO₂/Si substraten. Verder werd het effect van metaalcontacten op meervoudige SnSe nanoflak-gebaseerde FETs ook bestudeerd voor twee verschillende typen contacten (Ti/Au en Au) omdat de werkfunctie van het contactmetaal de geleiding van gat-dragers door de Schottky-barrière aan het metaal-SnSe nanoflak interface bepaalt.

Methoden

SnSe heeft een gelaagde orthorombische kristalstructuur bij kamertemperatuur. Figuur 1a–c toont de perspectiefweergaven van de SnSe kristalstructuur langs de a-, b-, en c-as richtingen. Zoals getoond in Fig. 1c, zijn SnSe platen met twee-atoomlagen gegolfd, terwijl makkelijke scheiding in de kristallen plaatsvindt langs het (100) vlak (Fig. 1b). Einkristallijne SnSe werden gegroeid door gebruik te maken van de gewijzigde Bridgman-methode, zoals eerder beschreven. Stoichiometrische hoeveelheden Sn (99,999% kogel, Alfa Aesar) en Se (99,999% poeder, Alfa Aesar) werden eerst gesmolten tot een lingot (~20 g) in een dubbel-gezegelde kwartsampul. De grondstoffen langzaam verhit tot 500 °C en 10 uur warmgehouden, daarna 10 uur bij 920 °C gehouden voordat de oven uitgezet werd. De verkregen lingot was gemalen tot poeder en in een kegelvormige kwartsbuis gevuld, geëvacueerd en vlamgezegeld. Deze geladen kegelvormige kwartsbuis werd in een grotere kwartsbuis geplaatst. De buitenbuis werd gevuld met Ar-gas om explosie en oxidatie te voorkomen, en vervolgens vlamgezegeld. De geladen kwartsampul werd geplaatst op de positie waar de temperatuursgradiënt het grootst was in de verticale buisoven. De verticale buisoven werd langzaam verhit tot 970 °C in 20 uur, 10 uur warmgehouden, en vervolgens afgekoeld tot 830 °C met een snelheid van 0,5 °C/uur. De oven werd 24 uur bij 830 °C warmgehouden en vervolgens afgekoeld tot 500 °C met een snelheid van 100 °C/uur voordat de oven uitgezet werd.

Resultaten en Discussie

Een kegelvormige SnSe kristal (diameter, 30 mm; lengte, 70 mm) werd verkregen en is getoond in Fig. 1d–e. De verkregen kristal was verdeeld in twee stukken door een scheur die optrad tijdens de extractie van de kristal uit de kwartsampul (Fig. 1d). De kwaliteit van de gegroeide SnSe kristallen werd gecontroleerd met behulp van een poeder Röntgendiffractometer (XRD, New D8-Advance, Bruker-AXS, Duitsland) met Cu Kα (λ = 1,5406 Å). Figuur 2a toont het XRD-patroon van het poeder diffractiebestand (PDF) 48–1224 voor orthorombische SnSe, samen met het patroon voor de kristallografische a-as, die loodrecht staat op het gescheurde vlak (100) van de SnSe kristal. Zoals getoond in Fig. 2a, suggereert het XRD-patroon van einkristallijne SnSe sterk een enkel-fase orthorombische kristal met een ruimtegroep Pnma, wat een sterke voorkeursoriëntatie met (h00) reflecties aangeeft, wat in goede overeenstemming is met een eerdere rapportage. Bovendien waren de predominante pieken (400) en (800), bij 2θ = 31,081° en 64,818° respectievelijk, zoals getoond in Fig. 2a. Zoals getoond in Fig. 2b, onthulde energiedispersieve Röntgenspectroscopie (EDX) de Sn:Se atoomverhouding van 1:1, wat de stoichiometrische verhouding van Sn en Se bevestigt (inset van Fig. 2b). Insets van Fig. 2b tonen ook een scanning elektronenmicroscopie (SEM) afbeelding en EDX mapping van een SnSe nanoflak FET met een apparaatdikte van 90 nm. Dit resultaat is in goede overeenstemming met eerdere rapportages. Bovendien werd de elektrische geleidbaarheid van einkristallijne SnSe (inset van Fig. 2b) gemeten voor temperaturen variërend van 30–300 K, met behulp van de conventionele vier-punt-methode. Figuur 2c toont de temperatuursafhankelijke elektrische geleidbaarheid van SnSe einkristallen langs drie verschillende kristallografische richtingen, wat gelijke temperatuursafhankelijke gedragingen en anisotropiegedragingen aangeeft ten gevolge van verschillende gat-mobiliteiten in SnSe langs de verschillende as-richtingen. Zoals getoond in Fig. 2c, werd de elektrische geleidbaarheid langs de b- en c-as bij 300 K bepaald op ~6,00 S cm⁻¹, wat ~2,2 keer groter is dan die voor de a-as (~2,7 S cm⁻¹). Dit resultaat is in goede overeenstemming met eerdere resultaten voor einkristallijne SnSe. In Fig. 2c wordt de temperatuursafhankelijke elektrische geleidbaarheid van einkristallijne SnSe getoond voor het halfgeleiderbereik (30–100 K) en voor het metalen bereik (>100–300 K). Boven 100 K vertoonden de gegroeide SnSe kristallen metalen transportgedrag, consistent met eerdere waarnemingen.

SnSe FET apparaten werden als volgt gefabriceerd. Eerst werden SnSe nanoflakken mechanisch geëxfolieerd op een 300-nm-dikke SiO₂/p++ Si substraat van einkristallijne SnSe, gemakkelijk gescheurd in het (100) vlak met de bekende scotch-tape methode. Metingen van elektrisch transport in zo geprepareerde individuele SnSe nanoflakken FETs werden uitgevoerd bij kamertemperatuur in de back-gated FETs configuratie. Figuur 3a toont schematisch SnSe nanoflak-gebaseerde FET apparaten met een groot-oppervlak back gate. In deze studie werden twee SnSe nanoflakken (70- en 90-nm-dikke SnSe nanoflakken) geprepareerd op het SiO₂/Si substraat. De SnSe FETs werden gefabriceerd met behulp van de standaard elektronenbundel-lithografie methode gevolgd door twee typen metallisatie, d.w.z. Au (dikte, 100 nm) en Ti/Au (diktes, 10/100 nm) werden beschouwd als ohmische contacten op SnSe nanoflakken. Voor het metallisatieproces werd gebufferde oxide-etsing (BOE) uitgevoerd om polymeren en oxide residuen op de nanoflak-oppervlakken te verwijderen. Figuur 3b toont een optische afbeelding van een SnSe nanoflak FET met een apparaatdikte van 90 nm. De diktes van de SnSe nanoflakken werden gemeten met behulp van een atoommachtmicroscoop (AFM) bij kamertemperatuur (Fig. 3c–d). Zoals getoond in Fig. 3b en inset van Fig. 2b, had de gefabriceerde 90-nm-dikke SnSe FET een kanaallengte (L) van 5 μm en breedte (W) van 4,71 μm, terwijl voor de 70-nm-dikke SnSe FET L 5 μm was en W 6 μm. Alle stroom-spanning (I-V) kenmerken werden gemeten met behulp van een halfgeleider parameter analyzer (HP 4155C, Agilent Technologies, VS) op een elektrisch afgeschermde proefstation bij kamertemperatuur. Figuur 4a toont de draincurrent (Id) als functie van de gate-spanning (Vg), voor de 90-nm-dikke SnSe nanoflak, voor de bron-drain-spanningen (Vds) van -30, 0, en 30 V, bij kamertemperatuur, wat een duidelijke p-type halfgeleidergedrag aangeeft, wat hoofdzakelijk toegeschreven wordt aan de Sn-vacatures, zoals eerder gerapporteerd. Het resultaat in Fig. 4a impliceert dat metalen AU met zijn hoge werkfunctie verwacht wordt zwakke ohmische contacten te vormen op SnSe nanoflakken, wat een lagere Schottky-barrière voor het geleidingsband van SnSe nanoflakken aangeeft. Een gedetailleerdere discussie, voor werkfuncties van verschillende metalen, zal later gegeven worden. Figuur 4b toont Id vs. Vds voor verschillende Vg, variërend van -40–40 V, in stappen van 10 V. Uit Fig. 4b wordt de gat-mobiliteit (μp) bepaald op ~2,7 cm²/V s, verkregen uit μp = tm[L / (WCox Vds)], waar tm de transconductantie is (=dId/dVg = 2,89 × 10⁻⁸ A/V), L de lengte (~5,1 μm), W de breedte (~4,75 μm), Vds de drain-bron spanning (~1 V) van de SnSe FET, en Cox (=εr ε0/d = 11,5 nF/cm²) met εr (de dielectrische constante) van 3,9 en d (de dikte van de oxidede laag) van 300 nm de capaciteit per eenheidsoppervlak van de back-gated SnSe nanoflak FET. De geëvalueerde gat-mobiliteit van de mechanisch geëxfolieerde SnSe nanoflak FETs is veel kleiner dan die van epitaxiale SnSe dunne films (~60 cm²/V s) geprepareerd door gepulste laser depositie op MgO substraten met Se-rijke doelen. Echter, de hier verkregen waarde is ~1,8 keer groter dan die verkregen voor einkristallijne SnSe nanoplaten (~1,5 cm²/V s). Een dergelijke relatief lage gat-mobiliteit kan toegeschreven worden aan een sterke fonon-verstrooiing ten gevolge van de Sn-vacatures op het SnSe-oppervlak en een relatief hoge Schottky-barrière aan het Au metaal-SnSe nanoflak interface.

Daarnaast observeerden we een zwakke gate-tuning van geleidbaarheid in de depletier regio van de Id vs. Vds curve (Fig. 4c) en een lage stroom on/off ratio (~2 bij Vds van 1 V, insets van Fig. 4c) in de p-SnSe nanoflak FET met Au metaalcontacten. Een vergelijkbaar gedrag werd gerapporteerd voor andere tweedimensionale (2D) halfgeleidende materialen met een vergelijkbare dikte, inclusief SnS FETs (dikte, ~50–80 nm), ~15,8-nm-dikke SnSe nanoplaten, ~80-nm-dikke MoS₂, en ~84-nm-dikke SnSe₂. Deze gedragingen kunnen verklaard worden door het eindige drager-schermingslengte-effect ten gevolge van het bestaan van een oppervlakkige geleidende oppervlaktelaag in FET-apparaten met diktes groter dan de schermingslengte √(εKB T / e²p), waar ε, KB, en p de dielectrische constante van de halfgeleider, de constante van Boltzmann, en de gat-dragerdichtheid respectievelijk zijn.

Metaalcontacten bepalen belangrijk de kenmerken van 2D FET apparaten. Om het effect van de metaal-werkfuncties op SnSe te bepalen, betrachtten we Au (werkfunctie, ~5,1 eV) en Ti (werkfunctie, ~4,3 eV) als metaalcontacten op SnSe nanoflakken. Figuur 4c toont typische Id vs. Vds curves zonder gate-modulatie (Vg = 0) voor SnSe nanoflak FETs met Au en Ti contacten, wat een hogere algehele weerstand voor Ti (~15,4 MΩ) aangeeft in vergelijking met die voor Au (~0,56 MΩ). Dus is de Schottky-barrière aan het metaal-SnSe interface hoger voor Ti (Fig. 4c). Dit gedrag wordt altijd waargenomen op alle SnSe FET met Ti contacten. Zoals getoond in Fig. 4d, neemt de hoogte van de Schottky-barrière voor gaten toe naarmate de werkfunctie van het metaal afneemt. Dus metalen zoals Pd, Au, en Pt, met grote werkfuncties, kunnen geschikt zijn als ohmische contacten op p-SnSe nanoflak FETs omdat voor deze metalen de hoogte van de Schottky-barrière voor injectie van gaten lager zal zijn. Contactweerstand moet gemeten worden voor additionele metalen, om hun geschiktheid als metaalcontacten op SnSe nanoflak te bepalen. Deze kwestie wordt momenteel aangepakt met behulp van de overdrachtslengtemethode.

Conclusies

Samengevat, meervoudige SnSe nanoflakken werden gegroeid, geëxfolieerd, en gekarakteriseerd voor SnSe FET-kanalen met een back-gated FET structuur op SiO₂/Si substraten. Elektrische transportmetingen toonden aan dat meervoudige SnSe nanoflakken met Au metaalcontacten p-type halfgeleiderkenmerken vertonen met een relatief lage Schottky-barrière en lage contactweerstand op geëxfolieerde SnSe nanoflak FETs. Daarnaast benadrukken we dat deze studie de eerste is die mechanisch geëxfolieerde SnSe nanoflak-gebaseerde FETs rapporteert en we zijn ervan overtuigd dat onze SnSe nanoflak FETs zeer veelbelovend zijn voor 2D elektrische apparaten alsook voor energie-ontginnings-toepassingen, inclusieve toekomstige generatie van thermo-elektriciteit.