ReSe₂–Au juncties tonen sterke gelijkrichting over 273–340 K

Samenvatting

Het Schottky-effect van tweedimensionale materialen is belangrijk voor nanoschaal-elektronica. Een ReSe₂ vlok wordt getransporteerd om opgeslagen te zijn tussen een Au-zink en een Au-nano-film. Dit apparaat is oorspronkelijk ontworpen om de transporteigenschappen van de ReSe₂ vlok te meten. Echter, gelijkrichtingsgedrag wordt waargenomen in het experiment van 273 tot 340 K. De gelijkrichtingscoëfficiënt is ongeveer 10. De microstructuur en elementensamenstelling worden systematisch geanalyseerd. De ReSe₂ vlok en de Au-film blijken in contact te zijn met het Si-substraat vanuit de scanning elektronenmicroscoop-afbeelding in scheve visie van 45°. De ReSe₂/Si en Si/Au contacten zijn p-n heterojunctie en Schottky-contacten. Asymmetrie van beide contacten resulteert in het gelijkrichtingsgedrag. De voorspelling gebaseerd op de thermische-emissietheorie stemt goed overeen met experimentele gegevens.

Inleiding

Gelijkrichtingsgedrag van metaal-halfgeleider contacten, waarbij de stroom varieert met de richting van de toegepaste spanning, wordt breed gebruikt in Schottky-barrière-diodes, veld-effect-transistoren (FET), en metal-oxide-semiconductor FET. Schottky verklaarde het gedrag door verarmingslagen aan de halfgeleiderkant van dergelijke interfaces. Verschillen in elektronen-werkfunctie tussen metaal en halfgeleider leiden tot het gelijkrichtingsgedrag genaamd Schottky-effect. Het contact tussen metaal en tweedimensionale (2D) halfgeleidermaterialen is een Schottky-contact wanneer het metaal een hogere elektronen-werkfunctie heeft dan een n-type 2D halfgeleider of lagere elektronen-werkfunctie dan een p-type 2D halfgeleider. Het Schottky-effect van metaal/2D-materialen heeft grote toepassingen in micro-fotodetectoren, micro-FETs, gassensoren, en fototransistoren. Onder 2D-materialen hebben overgangsmetaal-dichalcogeniden (TMDs) veel aandacht getrokken omdat ze een aanzienlijk bandgat hebben en het bandgat overgaat van indirect naar direct als de dikte wordt gereduceerd tot monolayer. Het bandgat zorgt ervoor dat TMDs gebruikt kunnen worden voor veel toepassingen, zoals FETs en zonnecellen. TMDs kunnen ook worden gebruikt in thermoelektrisch veld, wat brede aandacht heeft getrokken. Veel experimenten zijn gedaan om eigenschappen en toepassingen van TMDs te verkennen zoals MoS₂, MoSe₂, WSe₂, en WS₂. Lopez-Sanchez et al. maakten ultrasensitieve monolayer-fototransistoren met MoS₂. Britnell et al. maakten een WS₂/grafene heterostructuur en demonstreerden de toepassing in fotovoltaïsch apparaat. WSe₂, als ambipolaire halfgeleider, werd gecontroleerd met dubbele elektrostatische gates om een licht-emitterende diode te fabriceren. Onder TMDs is ReSe₂ anders dan andere groep VI TMDs omdat ReSe₂ behoort tot groep VII TMDs met een extra elektronen in d-orbitalen, wat leidt tot sterke in-plan anisotropie. Een paar studies hebben de elektrische eigenschappen van ReSe₂ verkend vanwege de speciale bandstructuur. Stroomgelijkrichting wordt verkend met een ReSe₂/WS₂ p-n heterojunctie en ReSe₂/MoS₂ p-n heterojunctie. FET wordt gemaakt om de elektrische eigenschappen van metaal/halfgeleider contacten te onderzoeken zoals ReSe₂/metaal of ReS₂/metaal.

In deze brief wordt een ReSe₂ vlok opgehangen over een Au-zink en een Au-nano-ribbelektrode. Het apparaat is oorspronkelijk ontworpen om de thermische en elektrische geleidbaarheid van de ReSe₂ vlok te meten. Metingen werden uitgevoerd bij 340 K, 310 K, 280 K, en 273 K.

Methoden

Eerst werd het Si-substraat met Au-elektrodes gefabriceerd. De 400-μm-dikke ongedopte Si-substraat werd geoxideerd om een 180-nm-dikke SiO₂ laag te vormen na initiële reiniging, en een 320-nm-dikke elektronenbundel-weerstand werd gedeponeerd op het SiO₂ oppervlak door middel van spindoeken. Au werd gedeponeerd door fysieke dampafzetting om de Au-nano-elektrodes en de Au-nano-film te fabriceren in het patroon dat werd voorbereid door elektronenbundel-lithografie. Door het monster in de fotoweerstand-ontwikkelaar te plaatsen, werd de elektronenbundel-weerstand geëtst en de Au-elektrode en film bleven over. Ten slotte werd de SiO₂ laag geëtst door gebufferde fluorwaterstofzuur en de Si-laag onder de Au-nano-film werd geëtst door CF₄ plasma om een opgehangen nano-film te fabriceren die ongeveer 6 μm boven het Si-substraat is.

ReSe₂ vlokken werden gesynthetiseerd door chemische-dampovergang op een koperen substraat. Een ReSe₂ vlok werd getransporteerd naar de Au-elektrodes om Au-ReSe₂-Au contacten te fabriceren met de wetting-overdrachtsmethode, waarbij de ReSe₂ nanorib met het koperen substraat werd bedekt door polymethylmethacrylaat (PMMA) en op het etsoplossing gedreven om het koperen substraat te etsen. Nadat het koperen substraat was afgebroken, werd de PMMA-bedekte ReSe₂ vlok nauwkeurig boven het Si-substraat met Au-nano-elektrodes bewogen door het vast-punt-overdracht-platform. Vervolgens werd de PMMA door laser gesneden en de PMMA-bedekte ReSe₂ vlok landde om opgeslagen te zijn tussen de Au-nano-film en de Au-nano-elektrode. Ten slotte werd de PMMA verwijderd door het monster in een kaliumhydroxide-oplossingsbad te dompelen gedurende 3 uur. De scanning elektronenmicroscoop (SEM) afbeelding van de gefabriceerde Au-elektrode-ReSe₂ vlok-Au-nanorib (Au-ReSe₂-Au) juncties in verticale visie naar het substraat wordt getoond in Fig. 1a. De ReSe₂ vlok was in contact met een Au-nanorib in sectie B en in contact met Au-elektrode in sectie C. Figuur 1b toont het schematische diagram van het apparaat.

De richting langs A-B-C wordt gedefinieerd als positief, of vice versa, en een gelijkstroom werd toegepast. De spanning, V, over de Au-ReSe₂-Au juncties werd gemeten door een hoge-nauwkeurigheid digitale multimeter (Keitheley 2002, 8.5 cijfers), terwijl de stroom, I, werd bepaald door het meten van de spanning over een referentieweerstand in serie. De I-V curves van de ReSe₂/Au juncties voor voorwaartse en omgekeerde spanning werden gemeten bij verschillende temperaturen in een fysieke-eigenschappen-meetsysteem (quantum design).

Resultaten en Discussie

Figuur 2 toont de gemeten I-V curves bij 273 K, 280 K, 310 K, en 340 K. Significante asymmetrieën in de I-V curves worden waargenomen bij alle gemeten temperaturen, wat ongewone gelijkrichtende gedrag aangeeft. Stromen bij 277 mV en −277 mV worden gebruikt om de stroom-gelijkrichtingsverhouding bij elke temperatuur te berekenen, en de gelijkrichtingsverhouding is ongeveer 10. De stroom neemt toe met de temperatuur voor een gegeven spanning.

Om het mechanisme verantwoordelijk voor de ongewone gelijkrichting te verkennen, werd de microstructuur van de ReSe₂ vlok gedetecteerd door een atoommachtmicroscoop [(AFM), Cypher, Oxford Instruments] en een Raman-spectrometer (Jovin Yvon T64000, opwekkingsgolfengte 532 nm). De AFM-afbeelding van de ReSe₂ vlok wordt getoond in Fig. 3a–c, en de bepaald gemiddelde dikte is 28 nm gebaseerd op het dwarsdoorsnede-hoogteprofiel langs de witte lijn. Het Raman-spectrum bestaande uit maximaal 13 verwachte lijnen met hoge signaalsterkte wordt getoond in Fig. 3d, wat goed overeenkomt met het spectrum gedetecteerd door Wolverson et al. en de triclinische kristalstructuur van de huidige ReSe₂ vlok onthult.

Figuur 4 is de SEM-afbeelding van de ReSe₂ vlok in scheve visie van 45° die toont dat de ReSe₂ vlok en de Au-nano-film in contact zijn met het Si-substraat. ReSe₂-Au contact is earlier getoond als Ohmisch contact in eerdere studie wat niet verantwoordelijk is voor het gelijkrichtingsgedrag in dit experiment. De circuit bestaat uit de Au-ReSe₂-Au en de Au-ReSe₂-Si-Au juncties. Figuur 5 toont het schematische van de circuit. De Si-Au contact is getoond als Schottky-contact.

Figuur 6 toont de energie-dispersieve spectroscopie (EDS) gegevens. De map-somspectrum van ReSe₂ wordt verkregen in sectie 1 en 2. De gemiddelde chemische formule is ReSe_1,67 wat een hogere verhouding van Re heeft dan ReSe₂ en de ReSe₂ vlok p-type halfgeleidereigenschappen geeft. Daarom is de ReSe₂-Si contact een p-n heterojunctie en vertoont het gelijkrichtingsgedrag. Asymmetrie van beide gelijkrichtingscontacten resulteert in het gelijkrichtingsgedrag.

De stroom kan worden bepaald door de volgende vergelijking in zowel het Schottky-contact als de p-n heterojunctie:

$$ I={I}_0{e}^{qV/ nkT}\left(1-{e}^{- qV/ kT}\right) $$ (1) $$ {I}_0={AA}^{\ast }{T}^2{e}^{-q{\Phi}_B/ kT} $$ (2)

waar I₀ de verzadigingsstroom is, q de elektronische lading, k de Boltzmann-constante, V de spanning toegepast over de junctie, A de contactoppervlakte, A^* de effectieve Richardson-constante, Φ_B de schijnbare barrièrehoogte, en T de meet-temperatuur. De temperatuurafhankelijke idealiteitsfactor n vertegenwoordigt het niveau dat het contact afwijkt van een ideaal Schottky-contact.

Een berekening gebaseerd op Eq. (1) wordt gemaakt om de analyse voor het gelijkrichtingsgedrag te onderzoeken. Stromen van de ReSe₂-Si contact, I₁, en de Si-Au contact, I₂, worden uitgedrukt door:

$$ {I}_1={I}_{01}{e}^{qV/{n}_1 kT}\left(1-{e}^{- qV/ kT}\right), $$ (3) $$ {I}_2={I}_{02}{e}^{- qV/{n}_2 kT}\left({e}^{qV/ kT}-1\right). $$ (4)

Figuur 7 toont dat de numerieke resultaten goed overeenkomen met experimentele gegevens. De numerieke parameters worden getoond in Tabel 1. De omgekeerde verzadigingsstroom van de ReSe₂-Si contact is groter dan de Si-Au contact omdat de contactoppervlakte van de ReSe₂-Si contact veel groter is zoals getoond in Fig. 4. De omgekeerde verzadigingsstroom van beide contacten neemt toe met temperatuur, wat aangeeft dat de elektrische geleidbaarheid van beide contacten gelijkrichtingsgedrag vertonen zoals getoond in Eq. (2).

De idealiteitsfactor van de ReSe₂-Si contact is groter dan de Si-Au contact door verschillende contactcondities en kristalstructuren. Figuur 4 toont dat het oppervlak van het Si-substraat ruw is door de etsoplossing, wat de ReSe₂-Si contact inhomogeen maakt. De inhomogene contact leidt tot de grote idealiteitsfactor. Het ruwe oppervlak produceert ook een groot aantal valtoestanden wat resulteert in een grote idealiteitsfactor. Bovendien maken verschillende contacttypen verschillende idealiteitsfactoren. De ReSe₂-Si contact is de p-n heterojunctie, en de ReSe₂ en Si hebben verschillende kristalstructuren, triclinisch voor ReSe₂ en gezichts-gecentreerd kubisch voor Si. De rooster-mismatch leidt altijd tot rand-dislocaties en produceert hoge dichtheid van valtoestanden, wat de ReSe₂-Si contact doet afwijken van het ideaal contact en een grote idealiteitsfactor heeft. De Si-Au is de metaal-halfgeleider-contact, en de kristalstructuur van Si heeft weinig effecten op de idealiteitsfactor. De idealiteitsfactoren van beide contacten veranderen weinig met temperatuur. Het kan worden verklaard door Eq. (5) zoals gerapporteerd door Khurelbaatar et al.,

$$ n=\frac{q}{kT}\frac{dV}{d\ln I}. $$ (5)

Vergelijking (5) toont aan dat de idealiteitsfactor omgekeerd evenredig is met de temperatuur. De idealiteitsfactor neemt significant af met temperatuur alleen bij lage temperatuur en verandert langzaam wanneer de temperatuur boven 300 K is. Echter, zoals getoond in Tabel 1, neemt de omgekeerde verzadigingsstroom significant toe met de temperatuur wat anders is dan de idealiteitsfactor. Het kan worden verklaard door Eq. (2). Volgens Eq. (2), neemt de omgekeerde verzadigingsstroom toe met temperatuur omdat T² en exp (− qΦ_B/kT) toenemen met temperatuur. Vanwege de exponentiële relatie tussen exp (− qΦ_B/kT) en − qΦ_B/kT, neemt exp (− qΦ_B/kT) significant toe met temperatuur. Op basis van het onderzoek door Zhu et al., qΦ_B van de Au/Si-contact in het experiment bij 273 K en 295 K zijn 0,77 eV en 0,79 eV, respectievelijk. De berekende resultaten tonen aan dat de omgekeerde verzadigingsstroom bij 295 K zes keer zoveel is als de omgekeerde verzadigingsstroom bij 273 K, wat verklaart waarom de omgekeerde verzadigingsstroom significant toeneemt met temperatuur.

Conclusies

Concluderend, een gelijkrichtingsgedrag wordt waargenomen in de contacten waar een ReSe₂ vlok opgeslagen is over Au-substraat en Au-nano-film bij verschillende temperaturen. De SEM-afbeelding van de opgehangen ReSe₂ vlok in scheve visie van 45° toont dat de ReSe₂ vlok en de Au-nano-film in contact zijn met het Si-substraat en de EDS-map illustreerde de elementensamenstelling, ReSe_1,67. Het contact tussen de ReSe₂ vlok en het Si-substraat is verantwoordelijk voor het gelijkrichtingsgedrag. De ReSe₂-Si en Si-Au contacten zijn beide gelijkrichtingscontacten die een andere circuit vormen, en asymmetrie van beide contacten resulteert in het schijnbare gelijkrichtingsgedrag. De berekende resultaten gebaseerd op de Schottky-stroomvergelijking die de Si-Au Schottky-contact en de ReSe₂-Si p-n heterojunctie overweegt, stemmen goed overeen met experimentele resultaten.