Transistor à effet de champ SnSe2 avec rapport marche/arrêt élevé et photoconductivité à polarité commutable

Introduction

En raison de l'effet de confinement quantique, les matériaux à couches atomiques (ALM) bidimensionnels (2D) se comportent très différemment de leurs homologues en vrac 3D, présentant des propriétés électroniques, optiques, chimiques, magnétiques et thermiques uniques et fascinantes [1]. Les ALM 2D fournissent une plate-forme attrayante pour la recherche physique et chimique fondamentale à la limite d'un seul atome ou d'une épaisseur de quelques couches. De plus, les ALM pourraient être intégrés de manière flexible avec d'autres appareils, offrant une plus grande pièce ou une plus grande liberté pour développer de nouvelles fonctions au-delà de la portée des matériaux existants. Au cours de la dernière décennie, les ALM 2D ont été largement étudiés et ont trouvé des applications potentielles dans des domaines tels que les capteurs, l'énergie et l'environnement [2, 3].

Récemment, en tant que membre important du groupe IV-VI, le diséléniure d'étain (SnSe₂ ) a beaucoup attiré l'attention. SnSe₂ a un CdI₂ hexagonal -structure cristalline de type, dans laquelle les atomes de Sn sont pris en sandwich par deux couches d'atomes de Se hexagonaux avec le groupe d'espace \( \mathrm{p}\overline{3}\mathrm{m}1 \) [4]. Contrairement aux dichalcogénures de métaux de transition (TMD), SnSe₂ possède une bande interdite plus étroite avec une caractéristique de bande interdite indirecte dans toute la plage d'épaisseur de la masse à la monocouche, résultant des électrons p externes de Sn impliqués dans la liaison structurelle contrairement aux électrons d de Mo ou W dans MoS₂ ou WS₂ [5]. SnSe₂ a été étudié pour avoir d'excellentes propriétés en thermoélectrique, mémoire à changement de phase, batteries lithium-ion et divers dispositifs logiques électroniques [4, 6, 7, 8, 9]. Surtout, SnSe₂ a une affinité électronique plus élevée (5,2 eV) et a donc une application particulière dans la fabrication de transistors à effet de champ à effet tunnel (FET) [9,10,11]. Pan et al. FET systématiquement étudié sur la base de SnS_{2 − x exfolié mécaniquement} Se_x cristaux à teneur variable en sélénium [12]. Ils ont constaté que le courant drain-source (I _d ) ne peut pas être complètement désactivé avec le contenu Se atteignant x = 1.2 ou plus. Plus tard Su et al. avoir fabriqué un SnSe₂ MOSFET avec un courant d'entraînement élevé (160 μA/μm) à 300 K avec le même résultat d'absence d'état « OFF » [13]. La principale raison de la difficulté à obtenir l'état « OFF » de SnSe₂ Le dispositif FET est la densité électronique ultra-élevée (10 ¹⁸ cm ⁻³ en vrac SnSe₂ , contre 10 ¹⁶ cm ⁻³ en MoS₂ ) [14, 15]. Par conséquent, modulation efficace du transport des porteurs dans SnSe₂ FET est un travail difficile. Bao et al. désactivé avec succès I _d et obtenu un ratio on/off de 10 ⁴ à température ambiante lors de l'utilisation de HfO₂ comme porte arrière combinée à une couche de recouvrement supérieure d'électrolyte polymère. Cependant, les performances de SnSe₂ ne peut pas survivre à plusieurs balayages en raison de la transition structurelle irréversible causée par Li ⁺ intercalation dans l'intercalaire de SnSe₂ [16]. Guo et al. atteint un rapport marche/arrêt de courant plus élevé de 10 ⁵ avec une tension de seuil de − 100 V en amincissant le SnSe₂ floconner à 6,6  nm [17]. Cependant, la température de travail n'est que de 78 °K, ce qui n'est pas pratique pour une application pratique. Une autre façon d'améliorer la modulation du transport des porteurs dans les FET consiste à déposer une couche diélectrique à k élevé en tant que grille supérieure, telle que HfO₂ et Al₂ O₃ [18, 19]. Cependant, la température de dépôt élevée modifiera les propriétés du SnSe₂ couche et détériorer davantage les performances de l'appareil. L'utilisation d'une grille d'électrolyte polymère solide pour moduler la densité de porteurs est une méthode intéressante en raison du contrôle très efficace de la double couche électrique (EDL) formée à l'interface entre l'électrolyte et le semi-conducteur [20,21,22]. Mais le processus de migration ionique lent nécessite des taux de balayage à faible biais pour correspondre. Donc, une méthode simple, efficace et pratique pour moduler les porteuses de SnSe₂ est très exigeant.

Dans ce travail, nous n'avons utilisé qu'une goutte d'eau déionisée (DI) comme porte supérieure de la solution et avons réussi à désactiver le courant du canal à 300 K. De plus, le rapport marche/arrêt pouvait atteindre ~ 4 ordres contrôlés par une petite tension de grille. de moins de 1   V. Plus frappant encore, le SnSe₂ l'appareil présente une photoconductivité négative et positive dépendant du biais intéressante, dans laquelle le mécanisme de fonctionnement possible a été analysé.

Expériences

Le SnSe₂ le flocon a été obtenu à partir de cristaux en vrac de haute qualité par exfoliation mécanique. Ensuite, il a été transféré sur une plaquette de Si recouverte de 100 nm SiO₂ . La méthode détaillée d'exfoliation et de transfert est décrite dans l'article de Huang [23]. Après le transfert, la microscopie optique a été utilisée pour identifier les flocons sélectionnés, et l'épaisseur précise a été mesurée par microscopie à force atomique. Le SnSe₂ Les FET ont été fabriqués par une photolithographie standard. Le contact Ti/Au (5/50 nm) a été déposé par évaporateur thermique, suivi d'un recuit in situ à 200 °C sous vide poussé (10 ^-5 Pa) pour améliorer le contact métallique. Pour les FETs top-gated à eau DI, une couche supplémentaire de polymère (polyméthacrylate de méthyle (PMMA) type 950 A5) a été déposée sur les dispositifs (spin coating à 3000 rpm, épaisseur ∼400 nm), cuite à 180 °C pendant 2 min, et modelé par photolithographie UV pour ouvrir les fenêtres pour le contact entre la goutte d'eau et le canal de l'appareil.

La caractérisation électrique a été réalisée par un sourcemètre Keithley 2634B sur une station à quatre sondes (Signatone). Une diode laser d'une longueur d'onde de 532  nm a été utilisée comme source lumineuse avec une densité de puissance de 1  mW/mm ² pour examiner les performances photoélectriques du SnSe₂ FET. La réponse temporelle a été enregistrée par un oscilloscope MDO3000.

Les images optiques ont été obtenues à l'aide d'un microscope optique (XTZ-2030JX avec une caméra CCD). Le spectre Raman a été réalisé dans le Renishaw dans le microscope Via Raman à température ambiante avec une excitation laser à 532 nm. La caractérisation AFM a été prise par un microscope de Bruker Multimode 8.

Résultats et discussion

La figure 1a montre un diagramme schématique de SnSe₂ dispositif FET. Les contacts sont recouverts d'une couche de PMMA (type 950 A5) pour les isoler électriquement de la grille supérieure, constituée d'une goutte d'eau déminéralisée goutte à goutte d'une pipette. L'appareil peut être déclenché par une tension de grille supérieure (V _tg ) appliqué à une électrode en contact avec la goutte d'eau DI ou par une tension de grille arrière (V _bg ) appliqué via le SiO₂ Support. L'image optique de SnSe₂ des flocons avec des électrodes à motifs sont illustrés à la figure 1b. L'écart source-drain est d'environ 2 µm. La spectroscopie Raman a été utilisée pour caractériser SnSe₂ matériau, comme le montre la figure 1c. L'empreinte digitale culmine à 187 cm ⁻¹ et 112 cm ⁻¹ correspond au hors-plan A _1g mode et dans le plan E _g mode, respectivement, qui s'accorde bien avec les rapports des autres. Cependant, il est difficile de déterminer l'épaisseur pour SnSe₂ de la position du pic Raman. Contrairement à MoS₂ , la caractéristique dépendante de l'épaisseur de la position du pic Raman n'est pas claire [24,25,26]. Nous avons donc adopté la microscopie à force atomique (AFM) pour mesurer directement l'épaisseur des flocons. Comme le montre la figure 1d, l'épaisseur de SnSe₂ le flocon est d'environ 34 nm.

Une illustration de SnSe₂ dispositif phototransistor et quelques caractérisations de base sur le SnSe₂ flocon. un Illustration schématique d'un SnSe₂ dispositif à transistor à effet de champ. b Image optique d'un SnSe₂ flocon avec S et D désignant les électrodes de source et de drain à l'étude, respectivement. c Spectre Raman d'un SnSe₂ flocon. d Un profil de hauteur extrait de la ligne pointillée noire (illustrée à la Fig. 1b ) en mesure AFM

La courbe de sortie du dispositif FET sous différentes tensions de grille arrière mesurées dans l'obscurité est illustrée à la figure 2a. La relation linéaire et symétrique de I _d -V _ds démontre un contact ohmique entre les électrodes Ti/Au et le SnSe₂ canaliser. À partir de la figure 2a, nous avons constaté que l'effet de modulation de la conductivité de SnSe₂ par la tension de grille arrière est très faible. Le rapport de I _d entre la tension de grille 30 et − 30 V n'est que de 1,15 à V _ds de 50µmV. Le I actuel _d à la grille arrière, la tension de − 30 V est aussi grande que ~ 1.47 μA à V _ds de 5 mV, qui n'a pas pu être désactivé par la tension de la grille arrière. Même l'augmentation de la grande tension de grille jusqu'à 100  V n'a toujours pas mis le canal dans son état désactivé en raison du filtrage du potentiel de grille par la densité de porteurs ultra-élevée dans le SnSe₂ , qui a été rapporté dans les travaux antérieurs de Pan et Su [12, 13]. Selon la théorie des semi-conducteurs, nous pouvons faire une estimation approximative de la largeur d'épuisement W d'une structure métal-isolant-semiconducteur (MIS), qui est déterminée par \( W={\left(\frac{2{\varepsilon}_r{\varepsilon}_0{\varphi}_s}{e{N}_D }\right)}^{1/2} \), où φ _s est le potentiel de surface, N _D la concentration en impuretés du donneur, et ε ₀ et ε _r vide et permittivité relative, respectivement. Prendre φ _s , ε _r , N _D de 1 V, 9,97 et 1 × 10 ¹⁸ /cm ³ dans l'équation en tant que calcul prudent, la largeur d'épuisement W est d'environ 22 nm, ce qui est beaucoup plus petit que l'épaisseur de notre SnSe₂ flocon (34 nm). Ainsi, il est facile de comprendre l'absence d'épuisement des électrons par la modulation de la porte arrière.

Caractéristique de sortie et de transfert de SnSe₂ FET mesuré dans l'obscurité. Je _d contre V _sd caractéristique de SnSe₂ FET déclenché à différentes tensions de déclenchement arrière V _bg (un ), à différentes tensions de déclenchement supérieur V _tg dans une échelle linéaire (b ), et à différents V _tg dans une échelle semi-logarithmique (c ). Je _d contre V _tg caractéristique de SnSe₂ FET avec V _sd allant de 2 mV à 10 mV par incréments de 2 mV dessinés dans une échelle semi-logarithmique, l'encart est un tracé à l'échelle linéaire de I _d -V _tg caractéristique (d )

En contraste frappant, lors de l'utilisation de l'eau DI comme porte supérieure, le I _d -V _ds La courbe présente une modulation efficace même avec une faible polarisation de grille, comme le montre la figure 2b. Le rapport de courant entre les tensions de grille de 0,4 V et − 0,8 V est supérieur à 10 ³ , qui est plus clairement visible sur la figure 2c dessinée à une échelle semi-logarithmique. Les courbes de transfert sur SnSe₂ Les FET avec grille supérieure sont illustrés à la figure 2d, qui montre un comportement conducteur typique de type n. La tension balaye de la direction négative vers la direction positive avec un taux de balayage de 10 mV/s. La double couche électrique (EDL) dans un électrolyte liquide ou solide ionique possède une capacité élevée et peut être utilisée pour obtenir un couplage de charge très efficace dans des matériaux 2D et stratifiés. Cependant, les processus de transfert de charge lents dus aux ions importants en taille et en masse nécessitent des taux de balayage à faible polarisation pour maintenir l'équilibre à l'interface grille-canal. En revanche, lors de l'utilisation de l'eau DI comme couche diélectrique, le H ⁺ et OH ⁻ les ions ont une taille et une masse plus petites et l'eau a une faible viscosité. Par conséquent, le déclenchement de l'eau DI via la double couche à l'interface eau-semi-conducteur prend en charge des taux de balayage de tension beaucoup plus élevés et répond plus rapidement que le déclenchement des liquides ioniques ou le déclenchement de l'électrolyte solide. L'encart est un tracé à l'échelle linéaire de I _d -V _tg caractéristique. Notamment, l'eau DI en tant que grille supérieure améliore considérablement les caractéristiques de transconductance du SnSe₂ FET. Comme V _tg varie de − 0,8 à 0,4 V, I _d passe de 9.5 × 10 ⁻¹¹ à 7.6 × 10 ⁻⁷ A avec un rapport de courant marche/arrêt de ∼ 10 ⁴ . L'oscillation sous le seuil calculée à partir de la caractéristique de transfert est ∼ 62 mV/décade. Ces valeurs sont suffisamment bonnes pour le fonctionnement pratique à basse tension des dispositifs FET à chalcogénure de métal en couches. La mobilité μ peut être calculé à l'aide de l'équation suivante :\( \mu =\frac{d{I}_d}{d{V}_g}\cdotp \frac{L}{W{C}_{H2O}{V}_{ sd}} \), où L et W sont la longueur et la largeur du canal (L = 2 μm, W = 5 μm), respectivement, et C _H2O est la capacité de la vanne d'eau DI par unité de surface. Ici, la capacité de C _H2O a été mesurée à 348 nF/cm ² , dont le calcul détaillé est joint dans le matériel complémentaire (Fichier complémentaire 1 :Figure S1a et b). La mobilité électronique obtenue est de 127 cm ² /Vs, ce qui est assez bon par rapport à d'autres matériaux 2D à quelques couches. L'effet de modulation sensiblement amélioré réalisé par la grille supérieure avec de l'eau DI en tant que couche diélectrique n'a jamais été rapporté dans les travaux de Huang [27]. Ils ont appliqué une porte d'eau DI sur le SnS₂ , MoS₂ , et BP flocon et atteint un rapport marche/arrêt élevé, une oscillation sous-seuil idéale et une excellente mobilité. Ils ont attribué ces améliorations à la protection parfaite du flocon des adsorbats ambiants et à la passivation des états d'interface par le haut-k diélectrique (ε _{r (H2O)} = 80). L'effet de passivation et d'écran fourni par l'eau DI est similaire à celui d'autres matériaux conventionnels à haut diélectrique, comme le HfO₂ ou Al₂ O₃ [18, 19]. De plus, le couplage efficace entre l'eau DI et le SnSe₂ à travers les bords des flocons semble jouer un rôle important dans l'obtention d'un rapport marche/arrêt élevé, même pour un flocon épais. Par rapport à SiO₂ back gating, DI water gating peut réduire efficacement la distance du champ électrique (de quelques 100  nm à moins de 1 nm), de sorte que la tension de seuil de grille a également diminué de plusieurs dizaines de volts à moins de 1 V. De l'image en médaillon de la Fig. 2d, le petit saut de courant vers V _tg = 0.4 V est probablement causé par l'électrolyse de l'eau DI en raison de sa fenêtre électrochimique étroite, qui a été rapportée dans les travaux de Huang [27].

La réponse photoélectrique dépendante du temps du SnSe₂ Le FET contrôlé par la porte arrière ou supérieure est illustré à la Fig. 3. Fait intéressant, le SnSe₂ Le FET montre un photocourant positif sur une porte négative et un photocourant négatif sur une porte positive indépendamment de la porte arrière via SiO₂ ou de la porte supérieure à travers l'eau DI. À partir de la figure 3a, nous pouvons voir que l'amplitude du photocourant augmente avec l'augmentation de la tension négative de la grille arrière. Lorsque la tension de la grille arrière est de − 80 V, la photoconductivité relative (définie comme Δσ/σ ₀ , où σ ₀ est la conductivité sombre et Δσ est la différence entre σ et σ ₀ ) est de 5%. Lorsque vous utilisez de l'eau DI comme porte supérieure, nous obtenons une loi similaire à celle illustrée sur la figure 3b. Avec le réglage de la tension de grille supérieure à − 0,4 V, la photoconductivité relative pourrait atteindre 6 %. Cependant, il est facile de voir que le temps de réponse entre les deux types de portes est assez différent. Pour le backgating avec SiO₂ comme diélectrique, le temps de réponse pour le front montant est d'environ 30µs. Alors que pour le top gating avec de l'eau DI comme diélectrique, le temps de réponse n'est que de 1,7 s. Ici, le temps de montée de 10 à 90 % (ou temps de descente de 10 à 90 %) est défini comme le temps de réponse. La vitesse de réponse beaucoup plus rapide avec le déclenchement de l'eau DI devrait être liée à la mobilité plus élevée du porteur (127 cm ² /Vs) en raison du criblage efficace de la diffusion d'impuretés ou d'adsorbats. Fait intéressant, lorsque la tension de grille est positive, le SnSe₂ le film présente une photoconductivité négative (NPC) comme le montrent les figures 3c et d. Il convient de souligner que la photoconductivité bipolaire dépendant de la grille n'est pas induite par le courant de fuite entre la grille et la source. Nous avons mesuré le courant de fuite de I _g lors de l'application d'un biais de porte positif ou négatif, comme indiqué dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S2. Le signe du Je _g suit la direction de V _gs et est exactement contraire au signe du photocourant drain-source (I _d ). De plus, l'ampleur de I _g est beaucoup plus petit que I _d , son impact peut donc être ignoré. Dans le PNJ de SnSe₂ FET avec H₂ O en tant que diélectrique, il existe deux caractéristiques distinctes de la photoconductivité positive (PPC). L'un est la valeur absolue du déclenchement de photoconductivité relative à V positif _tg (~ 20 %) est éminemment supérieur à ce seuil à V négatif _tg (6%). L'autre est le SnSe₂ Le FET présente un temps de réponse beaucoup plus long (~ 30 s) à V positif _tg que celui à V négatif _tg (1.7 s).

Dépendance temporelle de la photoréponse de SnSe₂ FET biaisé à V _sd = 5 mV lorsqu'il est appliqué à différentes tensions négatives de déclenchement arrière V _bg (un ), tensions de déclenchement supérieures négatives V _tg (b ), tensions de déclenchement arrière positifs V _bg (c ), et des tensions de déclenchement supérieures positives V _tg (d )

Le phénomène de photoconductivité négative (NPC) a été signalé dans plusieurs nanostructures semi-conductrices, telles que les nanotubes de carbone, les nanofils d'InAs et les nanofils de ZnSe [28,29,30]. L'adsorption moléculaire de l'oxygène et la photo-désorption sont généralement suggérées comme étant responsables de l'effet NPC. Cependant, une telle explication ne s'applique pas à notre SnSe₂ système, car la désorption de l'oxygène ne conduirait qu'à une concentration et une conductivité électroniques plus élevées. Afin de comprendre l'effet NPC et la coexistence de NPC et PPC dans SnSe₂ , nous avons mesuré le I _d -V _tg courbes de SnSe₂ FET sous éclairage, comme le montre la figure 4. Pour une comparaison claire, les courbes de transfert dans l'obscurité sont également ajoutées. Nous pouvons voir que l'appareil présente une photoconductivité bipolaire, qui peut être commutée par la tension de grille. Les courbes de transfert mesurées sous éclairage et dans l'obscurité se coupent presque à une tension de grille de 0 V. Par conséquent, l'appareil montre une photoconductivité positive à une polarisation de grille moins et une photoconductivité négative à une polarisation de grille plus, ce qui est en accord avec les résultats montré dans la Fig. 3. Comme cela est bien connu, la conductivité σ est déterminé comme σ = neμ , où n , e , et μ sont respectivement la concentration des porteurs, la charge électronique et la mobilité. Ainsi, la conductivité est déterminée par le produit de la concentration et de la mobilité des porteurs. En courbe de transfert sous lumière, le changement de transconductance g _m aux bornes de la tension de grille nulle implique une altération de la mobilité. A partir des courbes de transfert, la mobilité de l'éclairage et de l'obscurité peut être calculée comme indiqué dans les tableaux 1 et 2. La mobilité de SnSe₂ dans l'obscurité est d'environ 70 cm ² /Vs, tandis que la mobilité sous éclairement a deux valeurs :environ 60 cm ² /Vs au moins la polarisation de la porte et ~ 4 cm ² /Vs à plus la polarisation de porte. Au V négatif _tg , la mobilité de l'état clair et sombre est presque la même, tandis que la concentration en porteurs sous excitation lumineuse est plus grande que celle de l'état sombre. Ainsi, l'appareil présente une photoconductivité positive. Au V positif _tg , la mobilité est plus d'un ordre plus petite que celle dans le cas de V négatif _tg , et la diminution de la mobilité dépasse l'augmentation de la concentration en porteurs et domine l'évolution de la photoconductivité. Ainsi, une photoconductivité négative nette se produit en remplacement de la photoconductivité positive.

Je _d -V _tg caractéristique de SnSe₂ FET sous éclairage et dans l'obscurité

Pai-Chun Wei et al. ont trouvé un effet NPC dans une petite bande interdite et un film d'InN dégénéré et l'ont attribué à la dépression de la mobilité causée par une diffusion sévère des centres de recombinaison chargés [31], qui peut être appliqué à notre SnSe₂ système. Mais pourquoi la mobilité diminue lorsque la polarisation de la porte passe de la tension négative à la tension positive n'est pas claire. Nous pensons que ce phénomène provient de certains états in-gap. Les états in-gap peuvent être causés par certains défauts ponctuels, tels que les lacunes de Se. Sous l'éclairage, les états in-gap ci-dessous E _f va piéger certains trous photogénérés et devenir des centres de diffusion chargés positivement. Avec V _tg balayage du biais négatif vers le biais positif, plus d'états dans l'intervalle tombant en dessous de E _f deviennent des centres de diffusion chargés, entraînant une baisse de la mobilité. Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour bien comprendre le mécanisme des PNJ.

Conclusions

En résumé, SnSe₂ le transistor à effet de champ (FET) a été fabriqué à base de SnSe₂ flocon exfolié de monocristal. Avec une goutte d'eau comme porte diélectrique supérieure, nous avons réussi à éteindre l'appareil avec un taux de réjection de courant élevé de ~ 10 ⁴ . Par rapport à SiO₂ porte diélectrique, l'eau DI peut éminemment améliorer le comportement de transport de SnSe₂ FET avec une oscillation idéale sous le seuil de ∼ 62 mV/décade et une excellente mobilité des électrons de ~ 127 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ à 300 K. Surtout, le SnSe₂ Le FET présente une photoconductivité bipolaire lorsque la polarisation de la grille supérieure balaye de - 0,4 à + 0,4  V. La polarité pourrait être commutée par le signe de la tension de grille. Avec une polarisation de grille négative, la photoconductivité positive est dominée par l'augmentation de la concentration en porteurs. Alors qu'elle est à polarisation positive, la photoconductivité négative est causée par une forte baisse de mobilité. Une compétition entre la concentration en porteurs et la mobilité détermine l'évolution de la photoconductivité. Avec une méthode de porte de solution facile présentée dans ce travail, le SnSe₂ Le FET présente d'excellentes propriétés électriques et présente en même temps une photoconductivité à polarité commutable intéressante, qui ouvrira une nouvelle voie de modulation pour les dispositifs optoélectroniques hautes performances.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

AFM :

Microscopie à force atomique

ALM :

Matériaux en couches atomiques

DI :

Déionisé

FET :

Transistors à effet de champ

MIS :

Métal-isolant-semi-conducteur

PNJ :

Photoconductivité négative

PMMA :

Polyméthacrylate de méthyle

PPC :

Photoconductivité positive

TMD :

Dichalcogénures de métaux de transition