SnSe₂ Veld-Effect Transistor Bereikt 10⁴ Aan/Uit Verhouding en Polariteit-Schakelbare Fotoconductiviteit

Samenvatting

Een SnSe₂ veld-effect transistor (FET) werd geproduceerd gebaseerd on exfolieerde weinig-lagen SnSe₂ flakken, en de elektrische en foto-elektrische eigenschappen zijn in detail onderzocht. Met behulp van een druppel gedioniseerd (DI) water, kan de SnSe₂ FET een aan/uit verhouding bereiken van ~ 10⁴ binnen 1 V bias, wat extreem moeilijk is voor SnSe₂ vanwege de ultra-hoge dragerdensiteit (10¹⁸/cm³). Bovendien worden de subthreshold swing en mobiliteit beide verbeterd tot ~ 62 mV/decade en ~ 127 cm² V⁻¹ s⁻¹ bij 300 K, wat voortvloeit uit de efficiënte screening door de vloeibare dielectrische gate. Interessant genoeg vertoont de SnSe₂ FET een gate-bias afhankelijke fotoconductiviteit, waarin een concurrentie tussen de dragerconcentratie en de mobiliteit onder verlichting een sleutelrol speelt in het bepalen van de polariteit van de fotoconductiviteit.

Inleiding

Vanwege het kwantumbeperking effect, gedragen twee-dimensionale (2D) atomaire gelaagde materialen (ALMs) zich heel anders dan hun 3D bulk tegenhangers, en vertonen unieke en fascinerende elektronische, optische, chemische, magnetische, en thermische eigenschappen. 2D ALMs bieden een aantrekkelijk platform voor fundamenteel fysicaal en chemisch onderzoek op de limiet van een enkel atoom of weinig-lagen dikte. Bovendien kunnen ALMs flexibel geïntegreerd worden met andere toestellen, wat meer ruimte of vrijheid biedt om nieuwe functies te ontwikkelen die buiten bereik liggen van bestaande materialen. Afgelopen decennium zijn 2D ALMs breed onderzocht en potentiële toepassingen gevonden in velden zoals sensoren, energie, en milieu.

Recente, als een belangrijk lid van de IV-VI groep, heeft tin-diselenide (SnSe₂) veel aandacht getrokken. SnSe₂ heeft een hexagonale CdI₂-type kristalstructuur, waarin Sn atomen ingesloten zijn door twee lagen hexagonale gepakte Se atomen met ruimtegroep p3̅m1. In tegenstelling tot overgangsmetaal dichalcogeniden (TMDs), bezit SnSe₂ een smaller bandgat met indirecte bandgat karakteristiek over de gehele diktebereik van bulk tot monolaag, voortvloeiend uit de outer p elektronen van Sn betrokken bij structurele binding in tegenstelling tot d elektronen van Mo of W in MoS₂ of WS₂. SnSe₂ heeft uitstekende eigenschappen getoond in thermo-elektronica, fase-verander geheugen, lithium-ion batterijen, en diverse elektronische logica toestellen. Vooral heeft SnSe₂ een hogere elektronen affiniteit (5,2 eV) en daardoor een speciale toepassing in het fabriceren van tunnel veld-effect transistors (FETs). Pan et al. onderzochten systematisch FETs gebaseerd op mechanisch exfolieerde SnS₂₋ₓSeₓ kristallen met variërende seleniuminhoud. Ze vonden dat de drain-bron stroom (I_d) niet volledig uitgezet kon worden met Se inhoud bereikend x = 1,2 of hoger. Later fabriceren Su et al. een SnSe₂ MOSFET met hoge dryfstroom (160 μA/μm) bij 300 K met hetzelfde resultaat van geen "UIT" toestand. De hoofdoorzaak voor de moeilijkheid in het verkrijgen van "UIT" toestand van SnSe₂ FET toestel is de ultra-hoge elektronen dichtheid (10¹⁸ cm⁻³ in bulk SnSe₂, vergeleken met 10¹⁶ cm⁻³ in MoS₂). Daarom is effectieve modulatie van dragertransport in SnSe₂ FETs een uitdagende klus. Bao et al. slaagden erin I_d uit te zetten en een aan/uit verhouding van 10⁴ bij kamertemperatuur te verkrijgen bij gebruik van HfO₂ als achtergate gecombineerd met een top-capping laag van polymere elektrolyt. Echter, de prestaties van SnSe₂ kunnen niet verschillende sweeping cycli doorstaan door de irreversibele structurele overgang veroorzaakt door Li⁺ interkalatie in de tussenlaag van SnSe₂. Guo et al. bereikten een hogere stroom aan/uit verhouding van 10⁵ met een drempelspanning van -100 V door het dunner maken van de SnSe₂ flak tot 6,6 nm. Echter, de werktemperatuur is slechts 78 K, wat niet handig is voor praktische toepassing. Een alternatieve manier om de modulatie van dragertransport in FETs te verbeteren is het depositieren van een hoge-k dielectrische laag als top gate, zoals HfO₂ en Al₂O₃. Echter, de hoge depositietemperatuur zal de eigenschappen van de SnSe₂ laag veranderen en de toestelprestaties verder achteruitgaan. Het gebruik van een vaste polymere elektrolyt gate om de dragerdensiteit te moduleren is een aantrekkelijke methode vanwege de hoog efficiënte controle van de elektrische dubbellaag (EDL) gevormd aan de interface tussen het elektrolyt en de halfgeleider. Maar trage ionische migratie proces vereist lage-bias sweeping snelheden om te matchen. Dus, een eenvoudige, efficiënte, en praktische methode om de dragers van SnSe₂ te moduleren is zeer gewenst.

In dit werk hebben we slechts een druppel gedioniseerd (DI) water als een oplossing top gate gebruikt en met succes het kanaalstroom uitgezet bij 300 K. Bovendien kon de aan/uit verhouding ~ 4 orders bereiken gecontroleerd door een kleine gate spanning van minder dan 1 V. Nog meer opvallend vertoont het SnSe₂ toestel een interessante bias-afhankelijke negatieve en positieve fotoconductiviteit, waarin het mogelijke werkmechanisme is geanalyseerd.

Experimenten

De SnSe₂ flak werd verkregen van hoogwaardige bulk kristallen door mechanische exfoliatie. Vervolgens werd het overgebracht op een Si wafer bedekt met 100 nm SiO₂. De gedetailleerde exfoliatie en overbrengingsmethode is beschreven in Huang's paper. Na de overbrenging, werd optische microscopie gebruikt om geselecteerde flakken te identificeren, en de nauwkeurige dikte werd gemeten door atoomkrachtmicroscopie. De SnSe₂ FETs werden geproduceerd door standaard fotolithografie. Ti/Au (5/50 nm) contact werd gedeponeerd door thermische verdamping, gevolgd door in situ annealing bij 200 °C in hoog vacuum (10⁻⁵ Pa) om het metallisch contact te verbeteren. Voor DI water top-gated FETs, werd een additionele polymere laag (polymethylmethacrylaat (PMMA) type 950 A5) gedeponeerd op de toestellen (spin coating bij 3000 rpm, dikte ~400 nm), gebakken bij 180 °C voor 2 min, en gepatroneerd door UV fotolithografie om vensters te openen voor contact tussen de waterdruppel en het toestelkanaal.

Elektrische karakterisatie werd uitgevoerd door een Keithley sourcemeter 2634B op een vier-punt station (Signatone). Een laserdiode met een golflengte van 532 nm werd gebruikt als lichtbron met een vermogensdichtheid van 1 mW/mm² om de foto-elektrische prestaties van SnSe₂ FET te onderzoeken. De tijdsrespons werd vastgelegd door een oscilloscoop MDO3000.

Optische afbeeldingen werden verkregen met een optische microscoop (XTZ-2030JX met een CCD camera). Raman spectrum werd uitgevoerd in de Renishaw in Via Raman Microscoop bij kamertemperatuur met 532-nm laser excitatie. AFM karakterisatie werd genomen door een microscoop van Bruker Multimode 8.

Resultaten en Discussie

Figuur 1a toont een schematisch diagram van SnSe₂ FET toestel. De contacten zijn bedekt door een laag PMMA (type 950 A5) om ze elektrisch te isoleren van de top gate, wat bestaat uit een druppel DI water gedropt van een pipet. Het toestel kan gegate worden door een top gate spanning (V_tg) toegepast aan een elektrode in contact met de DI water druppel of door een achtergate spanning (V_bg) toegepast via de SiO₂ support. De optische afbeelding van SnSe₂ flakken met gepatroneerde elektroden is getoond in Fig. 1b. De bron-drain opening is ongeveer 2 μm. Raman spectroscopie werd gebruikt om SnSe₂ materiaal te karakteriseren, zoals getoond in Fig. 1c. De vingerafdruk pieken bij 187 cm⁻¹ en 112 cm⁻¹ corresponderen respectievelijk met de out-of-plane A₁g mode en in-plane E_g mode, wat goed overeenkomt met andere rapporten. Echter, het is moeilijk om de dikte voor SnSe₂ te bepalen uit de positie van de Raman piek. In tegenstelling tot MoS₂, is de dikte-afhankelijke karakteristiek van de Raman piek positie niet duidelijk. Dus, hebben we atoomkrachtmicroscopie (AFM) gebruikt om de flak dikte direct te meten. Zoals getoond in Fig. 1d, is de dikte van SnSe₂ flak ongeveer 34 nm.

De outputkurve van het FET toestel onder verschillende achtergate spanningen gemeten in het donker is getoond in Fig. 2a. De lineaire en symmetrische relatie van I_d-V_ds demonstreert een ohmisch contact tussen de Ti/Au elektroden en het SnSe₂ kanaal. Uit Fig. 2a vonden we dat het modulatie-effect van de geleidbaarheid van SnSe₂ door achtergate spanning zeer gering is. De verhouding van I_d tussen gate spanning 30 en -30 V is slechts 1,15 bij V_ds van 50 mV. De stroom I_d bij de achtergate spanning van -30 V is zo groot als ~ 1,47 μA bij V_ds van 5 mV, wat niet uitgezet kon worden door achtergate spanning.zelfs het verhogen van de grote gate spanning tot 100 V bracht het kanaal nog steeds niet in de uit-toestand als gevolg van screening van gegate potentieel door de ultra-hoge dragers dichtheid in SnSe₂, wat gerapporteerd is in eerdere Pan's en Su's werk. Volgens de halfgeleider theorie kunnen we een ruwe schatting maken van de depletiebreedte W van een metaal-isolator-halfgeleider (MIS) structuur, wat bepaald wordt door W = (2ε_rε_0φ_s / eN_D)¹ᐟ², waar φ_s de oppervlaktepotentieel is, N_D de donor-verontreinigingsconcentratie, en ε_0 en ε_r vacuüm- en relatieve permittiviteit, respectievelijk. Neem φ_s, ε_r, N_D van 1 V, 9,97, en 1 × 10¹⁸/cm³ in de vergelijking als een conservatieve berekening, de depletiebreedte W is ongeveer 22 nm, wat veel kleiner is dan de dikte van onze SnSe₂ flak (34 nm). Dus is het gemakkelijk te begrijpen dat er geen depletie van elektronen is door achtergate modulatie.

In schril contrast, bij gebruik van DI water als top gate, vertoont de I_d-V_ds curve een efficiënte modulatie zelfs met een kleine gate bias, zoals getoond in Fig. 2b. De stroomverhouding tussen gate spanningen van 0,4 V en -0,8 V is meer dan 10³, wat duidelijker zichtbaar is uit Fig. 2c getekend in een semi-log schaal. De transferkurven over SnSe₂ FET met top gate zijn getoond in Fig. 2d, wat een typisch n-type geleidingsgedrag toont. De spanningsscans lopen van de negatieve naar de positieve richting met een scansnelheid van 10 mV/s. Elektrische dubbellaag (EDL) in ionische vloeistof of vast elektrolyt bezit een hoge capaciteit en kan worden gebruikt om zeer efficiënte ladingkoppeling in 2D en gelaagde materialen te bereiken. Echter, trage ladingsoverdrachtsprocessen door de grote ionen in grootte en massa vereisen lage-bias scantempo's om evenwicht te handhaven aan de gate-kanaal interface. In contrast, bij gebruik van DI water als dielectrische laag, hebben zowel H⁺ als OH⁻ ionen kleinere grootte en massa en water heeft een lage viscositeit. Daarom ondersteunt DI water gating via de dubbellaag aan de water-halfgeleider interface veel hogere spanningssweep snelheden en reageert sneller dan ionische vloeistoffen gating of vast elektrolyt gating. De inset is een lineair geschaalde plot van I_d-V_tg karakteristiek. Opvallend verhoogt DI water als top gate de transconductantie karakteristieken van de SnSe₂ FET aanzienlijk. Als V_tg varieert van -0,8 tot 0,4 V, verandert I_d van 9,5 × 10⁻¹¹ tot 7,6 × 10⁻⁷ A met een aan/uit stroomverhouding van ~ 10⁴. De subthreshold swing berekend uit de transferkarakteristiek is ~ 62 mV/decade. Deze waarden zijn goed genoeg voor praktische, lage-spanning operatie van gelaagde metaal chalcogenide FETs toestellen. De mobiliteit μ kan worden berekend met de volgende vergelijking: μ = (dI_d/dV_g) · (L/W C_H2O V_sd), waar L en W de kanaallengte en -breedte zijn (L = 2 μm, W = 5 μm), respectievelijk, en C_H2O de DI water-gate capaciteit per eenheidsoppervlakte. Hier werd de capaciteit van C_H2O gemeten als 348 nF/cm², waarvoor de gedetailleerde berekening in het supplementaire materiaal is opgenomen (Additioneel bestand 1: Figuur S1a en b). De verkregen elektronenmobiliteit is 127 cm²/Vs, wat redelijk goed is vergeleken met andere weinig-gelaagde 2D materialen. Het substantieel verbeterde modulatie-effect gerealiseerd door top gate met DI water als dielectrische laag is ooit gerapporteerd in Huang's werk. Ze paste DI water gate toe op SnS₂, MoS₂, en BP flak en bereikten een hoge aan/uit verhouding, ideale subthreshold swing en uitstekende mobiliteit. Ze schrijven deze verbeteringen toe aan het perfect beschermen van de flak van omgevingsadsorptie en passivering van de interface toestanden door de hoge-k dielectrica (ε_r(H2O) = 80). De passivering en screening effect geleverd door DI water is vergelijkbaar met die door andere conventionele hoge dielectrische materialen, zoals HfO₂ of Al₂O₃. Bovendien lijkt de effectieve koppeling tussen DI water en SnSe₂ door de flak randen een belangrijke rol te spelen in het bereiken van een hoge aan/uit verhouding zelfs voor een dikke flak. Vergeleken met SiO₂ achtergating, kan DI water gating de elektrische veldafstand effectief verminderen (van enkele honderden nm tot minder dan 1 nm), zodat de drempelgate spanning ook daalde van tientallen volts tot minder dan 1 V. Van de inset afbeelding van Fig. 2d, de kleine stroom sprong bij ongeveer V_tg = 0,4 V wordt mogelijk veroorzaakt door de elektrolyse van DI water door het smalle elektrochemische venster, wat gerapporteerd is in Huang's werk.

De tijdsafhankelijke foto-elektrische respons van de SnSe₂ FET gecontroleerd door achter of top gating is getoond in Fig. 3. Interessant genoeg toont de SnSe₂ FET een positieve fotostroom bij een negatieve gating en een negatieve fotostroom bij een positieve gating ongeacht gating van achtergate via SiO₂ of van top gate door DI water. Uit Fig. 3a kunnen we zien dat de grootte van de fotostroom toeneemt met toenemende negatieve achtergate spanning. Wanneer de achtergate spanning -80 V is, is de relatieve fotoconductiviteit (gedefinieerd als Δσ/σ₀, waar σ₀ de donker geleidbaarheid is en Δσ het verschil tussen σ en σ₀) 5%. Bij gebruik van DI water als top gate, krijgen we een vergelijkbare wet zoals getoond in Fig. 3b. Met de top gate spanning ingesteld als -0,4 V, kan de relatieve fotoconductiviteit 6% bereiken. Echter, het is gemakkelijk te zien dat de responstijd tussen de twee soorten gating heel anders is. Voor achtergating met SiO₂ als dielectrica, is de responstijd voor de opgaande flank ongeveer 30 s. Terwijl voor topgating met DI water als dielectrica, is de responstijd slechts 1,7 s. Hier wordt de 10-90% rijstijd (of 10-90% valtijd) gedefinieerd als de responstijd. De veel snelere responssnelheid met DI water gating zou gerelateerd moeten zijn aan de hogere drager mobiliteit (127 cm²/Vs) door de effectieve screening van verontreinigingen of adsorptie verstrooiing. Interessant genoeg, wanneer de gate spanning positief is, vertoont de SnSe₂ film een negatieve fotoconductiviteit (NPC) zoals getoond in Fig. 3c en d. Het moet benadrukt worden dat de gate-afhankelijke bipolaire fotoconductiviteit niet geïnduceerd wordt door lekkagestroom tussen de gate en de bron. We maatten de lekkagestroom van I_g bij het aanbrengen van een positieve of negatieve gate bias, zoals getoond in Additioneel bestand 1: Figuur S2. Het teken van I_g volgt de richting van V_gs en is precies het tegendeel van het teken van drain-naar-bron fotostroom (I_d). Bovendien is de grootte van I_g veel kleiner dan I_d, dus de impact kan genegeerd worden. In NPC van SnSe₂ FET met H₂O als dielectrica, zijn er twee kenmerken die verschillen van positieve fotoconductiviteit (PPC). Een is de absolute waarde van de relatieve fotoconductiviteit gating bij positieve V_tg (~ 20%) eminenter groter dan die bij negatieve V_tg (6%). De ander is de SnSe₂ FET vertoont een veel langere responstijd (~ 30 s) bij positieve V_tg dan die bij negatieve V_tg (1,7 s).

Het negatieve fotoconductiviteit (NPC) fenomeen is gerapporteerd in diverse halfgeleider nanostructuren, zoals koolstofnanobuizen, InAs nanodraden, en ZnSe nanodraden. Zuurstof moleculaire adsorptie en foto-desorptie worden meestal voorgesteld als verantwoordelijk voor NPC effect. Echter, zo'n verklaring is niet van toepassing op ons SnSe₂ systeem, omdat zuurstof desorptie alleen zou leiden tot hogere elektronenconcentratie en geleidbaarheid. Om NPC effect en de co-existentie van NPC en PPC in SnSe₂ te begrijpen, maatten we de I_d-V_tg kurven van SnSe₂ FET onder verlichting, zoals getoond in Fig. 4. Voor een duidelijke vergelijking, worden de transferkurven in het donker ook toegevoegd. We kunnen zien dat het toestel een bipolaire fotoconductiviteit vertoont, wat kan worden geschakeld door gate spanning. De transferkurven gemeten onder verlichting en in het donker snijden elkaar bijna bij een gate spanning van 0 V. Daarom toont het toestel een positieve fotoconductiviteit bij een min gate bias en een negatieve fotoconductiviteit bij een plus gate bias, wat in overeenstemming is met de resultaten getoond in Fig. 3. Zoals bekend is, wordt de geleidbaarheid σ bepaald als σ = neμ, waar n, e, en μ dragerconcentratie, elektronenlading, en mobiliteit zijn, respectievelijk. Dus wordt de geleidbaarheid bepaald door het product van dragerconcentratie en mobiliteit. In transferkurve onder licht, impliceert de verandering van transconductantie g_m over de nul gate spanning een verandering van mobiliteit. Uit de transferkurven kan de mobiliteit van verlichting en donker worden berekend zoals getoond in Tabellen 1 en 2. De mobiliteit van SnSe₂ in het donker is ongeveer 70 cm²/Vs, terwijl de mobiliteit onder verlichting twee waarden heeft: ongeveer 60 cm²/Vs bij min gate bias en ~ 4 cm²/Vs bij plus gate bias. Bij negatieve V_tg, is de mobiliteit van de licht en donker toestand bijna hetzelfde, terwijl de dragerconcentratie onder lichtexcitatie groter is dan die van donker toestand. Dus vertoont het toestel een positieve fotoconductiviteit. Bij positieve V_tg, is de mobiliteit meer dan een orde kleiner dan in het geval van negatieve V_tg, en de daling in mobiliteit overstijgt de toename in dragerconcentratie en domineert de fotoconductiviteit evolutie. Dus treedt een netto negatieve fotoconductiviteit op in plaats van de positieve fotoconductiviteit.

Pai-Chun Wei et al. vonden NPC effect in een smal bandgat en degenererende InN film en schrijven het toe aan de depressie van de mobiliteit veroorzaakt door zware verstrooiing van geladen recombinatiecentra, wat toegepast kan worden op ons SnSe₂ systeem. Maar waarom de mobiliteit daalt wanneer de gating bias scant van de negatieve naar de positieve spanning niet duidelijk is. We geloven dat dit fenomeen oorsprong vindt in enkele in-gap toestanden. De in-gap toestanden kunnen veroorzaakt worden door enkele puntdefecten, zoals Se vacatures. Onder verlichting, zullen de in-gap toestanden onder E_f enkele fotogegenereerde gaten vangen en positief geladen verstrooiingscentra worden. Met V_tg scannend van de negatieve naar de positieve bias, worden meer in-gap toestanden die onder E_f vallen geladen verstrooiingscentra, wat leidt tot een daling van mobiliteit. Vervolgwerk is nodig om het mechanisme van NPC volledig te begrijpen.

Conclusies

Samenvattend, SnSe₂ veld-effect transistor (FET) is geproduceerd gebaseerd op SnSe₂ flak geëxfolieerd uit einkristal. Met een druppel water als top dielectrische gate, hebben we het toestel met succes uitgezet met een hoge stroomafwijzingsverhouding van ~ 10⁴. Vergeleken met SiO₂ dielectrische gate, kan DI water de transportgedrag van SnSe₂ FET eminenter verbeteren met een ideale subthreshold swing van ~ 62 mV/decade en een uitstekende elektronenmobiliteit van ~ 127 cm² V⁻¹ s⁻¹ bij 300 K. Vooral vertoont de SnSe₂ FET bipolaire fotoconductiviteit wanneer de top gate bias scant van -0,4 tot +0,4 V. De polariteit kan geschakeld worden door het teken van gate spanning. Bij een negatieve gate bias, wordt de positieve fotoconductiviteit gedomineerd door de toename in dragerconcentratie. Terwijl bij een positieve bias, wordt de negatieve fotoconductiviteit veroorzaakt door een scherpe daling van mobiliteit. Een concurrentie tussen de dragerconcentratie en de mobiliteit bepaalt de evolutie van fotoconductiviteit. Met een gemakkelijke oplossing gate methode gepresenteerd in dit werk, demonstreert de SnSe₂ FET uitstekende elektrische eigenschappen en presenteert tegelijkertijd een interessante polariteit-schakelbare fotoconductiviteit, wat een nieuwe modulatieweg opent voor hoge-prestatie opto-elektronische toestellen.

Afkortingen

2D:

Twee-dimensionaal

AFM:

Atoomkrachtmicroscopie

ALMs:

Atomaire gelaagde materialen

DI:

Gedioniseerd

FETs:

Veld-effect transistors

MIS:

Metaal-isolator-halfgeleider

NPC:

Negatieve fotoconductiviteit

PMMA:

Polymethylmethacrylaat

PPC:

Positieve fotoconductiviteit

TMDs:

Overgangsmetaal dichalcogeniden