Rectification actuelle dans une structure :contacts ReSe2/Au des deux côtés de ReSe2

Introduction

Les comportements de rectification des contacts métal-semi-conducteur, où le courant varie avec la direction de la tension appliquée, sont largement utilisés dans la diode à barrière Schottky, le transistor à effet de champ (FET) et le FET métal-oxyde-semi-conducteur. Schottky a expliqué le comportement des couches d'appauvrissement du côté semi-conducteur de telles interfaces [1]. Les différences de travail de sortie des électrons entre le métal et le semi-conducteur conduisent au comportement de rectification appelé effet Schottky [2]. Le contact entre le métal et les matériaux semi-conducteurs bidimensionnels (2D) est un contact Schottky lorsque le métal a un travail de sortie électronique plus élevé qu'un matériau semi-conducteur 2D de type n ou un travail de sortie électronique inférieur à celui d'un semi-conducteur 2D de type p. L'effet Schottky des matériaux métal/2D a de grandes applications dans les micro-photodétecteurs, les micro-FET, les capteurs de gaz et les phototransistors [3]. Parmi les matériaux 2D, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) ont beaucoup attiré l'attention car ils ont une bande interdite importante [3] et la bande interdite passe d'indirect à direct lorsque l'épaisseur est réduite à monocouche [4]. La bande interdite garantit que les TMD peuvent être utilisés pour de nombreuses applications, c'est-à-dire les FET et les cellules solaires [3]. Les TMD peuvent également être utilisés dans le domaine thermoélectrique [5], qui a attiré une large attention [6,7,8,9]. De nombreuses expériences ont été menées pour explorer les propriétés et les applications des TMD tels que le MoS₂ , MoSe₂ , WSe₂ , et WS₂ . Lopez-Sanchez et al. [10] ont réalisé des phototransistors monocouche ultrasensibles avec MoS₂ . Britnell et al. [11] a fait un WS₂ /graphène et a démontré son application dans les dispositifs photovoltaïques. WS₂ , en tant que semi-conducteur ambipolaire, a été contrôlé avec des portes électrostatiques doubles pour fabriquer une diode électroluminescente [12, 13]. Parmi les TMD, ReSe₂ est différent des autres DTM du groupe VI car ReSe₂ appartient au groupe VII TMD avec un électron supplémentaire dans d orbitales, ce qui conduit à une forte anisotropie dans le plan [14]. Quelques études ont exploré les propriétés électriques de ReSe₂ en raison de sa structure de bande spéciale. La rectification en cours est explorée avec un ReSe₂ /WS₂ p-n hétérojonction [15] et ReSe₂ /MoS₂ Hétérojonction p-n [16]. Le FET est conçu pour étudier les propriétés électriques des contacts métalliques/semi-conducteurs comme ReSe₂ /métal ou ReS₂ /métal [17,18,19].

Dans cette lettre, un ReSe₂ le flocon est suspendu à travers un puits d'Au et une électrode de nanoruban d'Au. L'appareil est conçu à l'origine pour mesurer les conductivités thermique et électrique du ReSe₂ flocon. Les mesures ont été effectuées à 340 K, 310 K, 280 K et 273 K.

Méthodes

Tout d'abord, le substrat Si avec des électrodes Au a été fabriqué. Le substrat de Si non dopé de 400 μm d'épaisseur a été oxydé pour former un SiO₂ de 180 nm d'épaisseur après le nettoyage initial, et une réserve de faisceau d'électrons de 320 nm d'épaisseur a été déposée sur le SiO₂ surface au moyen d'un revêtement par centrifugation. Au a été déposé par dépôt physique en phase vapeur pour fabriquer les nano-électrodes Au et le nanofilm Au dans le modèle qui a été préparé par lithographie par faisceau d'électrons. En plaçant l'échantillon dans le révélateur de photoréserve, la réserve de faisceau d'électrons a été gravée et l'électrode Au et le film ont été laissés. Enfin, le SiO₂ la couche est gravée par de l'acide fluorhydrique tamponné et la couche de Si sous le nanofilm d'Au est gravée par CF₄ plasma pour fabriquer un nanofilm en suspension situé à environ 6 m au-dessus du substrat de silicium.

ReSe₂ les flocons ont été synthétisés par transition chimique-vapeur sur un substrat de cuivre. Un ReSe₂ flocon a été transféré aux électrodes d'Au pour fabriquer Au-ReSe₂ -Au contacts utilisant la méthode de transfert par mouillage, dans laquelle le ReSe₂ nanoruban avec le substrat de cuivre a été recouvert de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) et flotté sur la solution de gravure pour graver le substrat de cuivre. Une fois le substrat de cuivre décollé, le ReSe₂ revêtu de PPMA flocon a été déplacé avec précision au-dessus du substrat Si avec des nano-électrodes Au par la plate-forme de transfert à point fixe. Ensuite, le PMMA a été découpé au laser et le ReSe₂ enduit de PMMA flocon a atterri pour être suspendu entre le nanofilm Au et la nano-électrode Au. Enfin, le PMMA a été éliminé en plongeant l'échantillon dans un bain de solution d'hydroxyde de potassium pendant 3 h. L'image au microscope électronique à balayage (MEB) de l'électrode Au-ReSe₂ fabriquée nanoruban flocon-Au (Au-ReSe₂ Les jonctions -Au) en vue verticale par rapport au substrat sont illustrées à la Fig. 1a. Le ReSe₂ le flocon était en contact avec un nanoruban d'Au dans la section B et en contact avec l'électrode d'Au dans la section C. La figure 1b montre le schéma de principe de l'appareil.

un Image SEM de l'appareil en vue verticale par rapport au substrat et dans le sens positif du courant et b schéma de principe de l'appareil de mesure

La direction le long de A-B-C est définie comme positive, ou vice versa, et un courant continu a été appliqué. La tension, V , à travers l'Au-ReSe₂ -Les jonctions Au ont été mesurées par un multimètre numérique de haute précision (Keitheley 2002, 8,5 chiffres), tandis que le courant, I , a été déterminé en mesurant la tension aux bornes d'une résistance de référence en série. Le Je -V courbes du ReSe₂ /Les jonctions Au pour la tension directe et inverse ont été mesurées à différentes températures dans un système de mesure des propriétés physiques (conception quantique).

Résultats et discussion

La figure 2 montre le I mesuré -V courbes à 273 K, 280 K, 310 K et 340 K. Asymétries significatives dans le I -V des courbes sont observées à toutes les températures mesurées, indiquant un comportement de redressement inhabituel. Les courants à 277 mV et − 277 mV sont utilisés pour calculer le rapport de redressement de courant à chaque température, et le rapport de redressement est d'environ 10. Le courant augmente avec la température pour une tension donnée.

Caractéristiques courant-tension des jonctions Au-ReSe2-Au à 273 K, 280 K, 310 K et 340 K

Pour explorer le mécanisme responsable de la rectification inhabituelle, la microstructure du ReSe₂ les flocons ont été détectés par un microscope à force atomique [(AFM), Cypher, Oxford Instruments] et un spectromètre Raman (Jovin Yvon T64000, longueur d'onde d'excitation 532  nm). L'image AFM du ReSe₂ l'écaille est illustrée à la Fig. 3a–c, et l'épaisseur moyenne déterminée est de 28  nm sur la base du profil de hauteur en coupe le long de la ligne blanche. Le spectre Raman composé de jusqu'à 13 raies attendues avec une intensité de signal élevée est illustré à la Fig. 3d, correspondant bien au spectre détecté par Wolverson et al. [4] et révélant la structure cristalline triclinique du ReSe₂ actuel flocon.

un , b , et c Image AFM et épaisseur de ReSe2 et d Spectre Raman et structure cristalline de ReSe2

La figure 4 est l'image SEM du ReSe₂ éclat en vue oblique de 45° montrant que le ReSe₂ flocon et le nanofilm Au sont en contact avec le substrat Si. ReSe₂ -Au contact a été montré le contact ohmique dans une étude précédente [20] qui n'est pas responsable du comportement de rectification dans cette expérience. Le circuit est constitué de l'Au-ReSe₂ -Au et l'Au-ReSe₂ -Les jonctions Si-Au. La figure 5 montre le schéma du circuit. Le contact Si-Au a été montré comme le contact Schottky [21].

Image SEM du ReSe₂ flocon et le nanofilm d'Au en vue oblique de 45°

Schéma du circuit

La figure 6 montre les données de spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS). Le spectre de somme de carte de ReSe₂ est acquise dans les sections 1 et 2. La formule chimique moyenne est ReSe_1,67 qui a un ratio de Re plus élevé que ReSe₂ et donne le ReSe₂ propriétés des semi-conducteurs de type p en flocons. Par conséquent, le ReSe₂ -Si le contact est une hétérojonction p-n et présente le comportement de rectification. L'asymétrie des deux contacts de rectification entraîne le comportement de rectification.

Données EDS de ReSe₂ se trouve dans le coin supérieur droit de l'image. Les cases 1 et 2 représentent deux sections mesurées

Le courant peut être déterminé par l'équation suivante à la fois dans le contact de Schottky et dans l'hétérojonction p-n [22, 23] :

où je ₀ est le courant de saturation, q est la charge électronique, k est la constante de Boltzmann, V est la tension appliquée à travers la jonction, A est la zone de contact, A ^* est la constante de Richardson effective, Ф _B est la hauteur apparente de la barrière, et T est la température de mesure. Le facteur d'idéalité dépendant de la température n représente le niveau auquel le contact s'écarte d'un contact Schottky idéal.

Un calcul basé sur l'Eq. (1) est fait pour examiner l'analyse du comportement de rectification. Courants du ReSe₂ -Si contact, I ₁ , et le contact Si-Au, I ₂ , sont exprimés par :

La figure 7 montre que les résultats numériques sont en bon accord avec les données expérimentales. Les paramètres numériques sont indiqués dans le tableau 1. Le courant de saturation inverse du ReSe₂ -Le contact Si est plus grand que le contact Si-Au car la zone de contact du ReSe₂ -Le contact Si est beaucoup plus grand, comme le montre la Fig. 4. Le courant de saturation inverse des deux contacts augmente avec la température, indiquant que les conductivités électriques des deux contacts présentent un comportement de redressement comme indiqué dans l'équation. (2).

Comparaison de I -V courbes des résultats expérimentaux et calculés

Le facteur d'idéalité du ReSe₂ -Le contact Si est plus grand que le contact Si-Au en raison de conditions de contact et de structures cristallines différentes. La figure 4 montre que la surface du substrat Si est rugueuse en raison de la solution de gravure, ce qui rend le ReSe₂ -Si contact inhomogène. Le contact inhomogène conduit au grand facteur d'idéalité [24, 25]. La surface rugueuse produit également un grand nombre d'états de piégeage qui se traduit par un grand facteur d'idéalité [26]. De plus, différents types de contacts créent des facteurs d'idéalité différents. Le ReSe₂ -Si le contact est l'hétérojonction p-n, et le ReSe₂ et Si ont des structures cristallines différentes, triclinique pour ReSe₂ et cubique à faces centrées pour Si. Le décalage de réseau conduit toujours à une dislocation de bord [27] et produit une haute densité d'états de piège [26], rendant le ReSe₂ -Si le contact s'écarte du contact idéal et a un grand facteur d'idéalité [27]. Le Si-Au est le contact semi-conducteur métallique et la structure cristalline du Si a peu d'effets sur le facteur d'idéalité. Les facteurs d'idéalité des deux contacts changent peu avec la température. Il peut être expliqué par l'équation. (5) comme rapporté par Khurelbaatar et al. [28],

L'équation (5) montre que le facteur d'idéalité est inversement proportionnel à la température. Le facteur d'idéalité diminue significativement avec la température uniquement à basse température et change lentement lorsque la température est supérieure à 300 K [28, 29]. Cependant, comme le montre le tableau 1, le courant de saturation inverse augmente de manière significative avec la température qui est différente du facteur d'idéalité. Il peut être expliqué par l'équation. (2). Selon l'éq. (2), le courant de saturation inverse augmente avec la température car T ² et exp (− q Φ_B /kT ) augmente avec la température. En raison de la relation exponentielle entre exp (− q Φ_B /kT ) et − qΦ_B /kT, exp (− q Φ_B /kT ) augmente significativement avec la température. D'après les recherches de Zhu et al [30], q Φ_B du contact Au/Si dans l'expérience à 273 K et 295 K sont respectivement de 0,77 eV et 0,79 eV. Les résultats calculés montrent que le courant de saturation inverse à 295  K est six fois plus élevé que le courant de saturation inverse à 273  K, ce qui explique pourquoi le courant de saturation inverse augmente considérablement avec la température.

Conclusions

En conclusion, un comportement de redressement est observé dans les contacts où un ReSe₂ flocon suspendu à travers le substrat Au et le nanofilm Au à différentes températures. L'image SEM du ReSe₂ suspendu l'éclat en vue oblique de 45° montre que le ReSe₂ le flocon et le nanofilm d'Au sont en contact avec le substrat Si et la carte EDS illustre la composition des éléments, ReSe_1.67 . Le contact entre le ReSe₂ flocon et le substrat Si est responsable du comportement de rectification. Le ReSe₂ -Les contacts Si et Si-Au sont tous deux des contacts de redressement formant un autre circuit, et l'asymétrie des deux contacts entraîne le comportement de redressement apparent. Les résultats calculés basés sur l'équation du courant de Schottky ont considéré le contact Si-Au Schottky et le ReSe₂ - L'hétérojonction Si p-n est en bon accord avec les résultats des expériences.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

AFM :

Microscope à force atomique

EDS :

Spectroscopie à dispersion d'énergie

FET :

Transistor à effet de champ

PMMA :

Polyméthacrylate de méthyle

SEM :

Microscope électronique à balayage

TMD :

Dichalcogénures de métaux de transition