Transistors multicouches à effet de champ SnSe Nanoflake avec contacts Au Ohmic à faible résistance

Contexte

Les chalcogénures métalliques transitoires offrent une gamme de bandes interdites optiques, ce qui rend ces matériaux adaptés à une utilisation dans diverses applications optiques et optoélectroniques [1]. Films minces de ces matériaux, y compris PbTe, PbSe et Bi₂ Se₃ [2], ont attiré une attention considérable en raison de leur utilisation potentielle dans les dispositifs optoélectroniques infrarouges, les détecteurs de rayonnement, les cellules solaires, les dispositifs de mémoire et les dispositifs d'enregistrement holographique [3,4,5,6,7,8]. Étain mono et diséléniures (SnSe et SnSe₂ ) ont fait l'objet de recherches en raison de leurs coefficients d'absorption élevés, ce qui est avantageux pour les applications optoélectroniques. De plus, ces matériaux sont prometteurs pour une utilisation dans des applications thermoélectriques [9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24]. Le monoséléniure d'étain (SnSe) est un semi-conducteur de type p avec une bande interdite pour les transitions indirectes autorisées proche de ~0,9 eV et celle pour les transitions directes autorisées proche de ~1,2 eV, tandis que le diséléniure d'étain (SnSe₂ ) est un semi-conducteur de type n [6]. La structure cristalline du SnSe est orthorhombique et ses paramètres de maille unitaire sont a = 11.496 Å, b = 4.151 Å, et c = 4.444 Å ; cette structure orthorhombique se transforme en structure tétragonale à haute température qui est néanmoins inférieure au point de fusion du SnSe₂ [25].

Récemment, les dispositifs électriques binaires à base de chalcogénure et de dichalcogénure à base de Sn, y compris les transistors à effet de champ (FET) avec une porte arrière commune de grande surface, ont été largement étudiés. En particulier, de nombreux progrès ont été réalisés dans la caractérisation des FET à base de dichalcogénure de Sn [26, 27]. En 2016, Pei et al. signalé quelques couches de SnSe₂ FET, démontrant un rapport marche/arrêt élevé de ~10 ⁴ avec une couche de recouvrement supérieure d'un électrolyte polymère [27]. Guo et al. a également signalé un SnSe₂ à haute mobilité à quelques couches FET d'une épaisseur d'environ 8,6 nm [28]. À partir de travaux antérieurs, il a été confirmé que les films de SnSe minces et à faible concentration de porteurs donnent une mobilité élevée et un rapport marche/arrêt de courant de SnSe₂ FET. Malgré ces efforts d'utilisation de SnSe₂ , cependant, la caractérisation électrique des FET SnSe, préparés par exfoliation à partir de monocristaux, n'a pas été rapportée. Une caractérisation détaillée du transport électrique dans le SnSe₂ à quelques et plusieurs couches des flocons doivent être effectués pour évaluer les propriétés de transport électrique des chalcogénures d'étain, tels que les nanoflocons de SnSe, car on s'attend à ce que les cristaux de SnSe individuels présentent une mobilité de porteur élevée de ~7835 cm ² /V s [29].

Dans ce travail, nous avons caractérisé le SnSe monocristallin développé en utilisant une méthode de Bridgman modifiée. Le transport électrique dans des FET de nanoflocons de SnSe multicouches préparés par exfoliation à partir de monocristaux en vrac a été caractérisé pour la première fois à l'aide de structures FET à grille arrière sur SiO₂ Substrats /Si. En outre, l'effet des contacts métalliques sur les FET multicouches à base de nanoflocons de SnSe a également été étudié pour deux types de contacts différents (Ti/Au et Au) car la fonction de sortie du métal de contact détermine la conduction des porteurs de trous à travers la barrière Schottky au niveau de la interface nanoflake métal-SnSe.

Méthodes

Le SnSe a une structure cristalline orthorhombique en couches à température ambiante [24]. La figure 1a–c montre les vues en perspective de la structure cristalline du SnSe le long du a , b , et c directions axiales. Comme le montre la figure 1c, les plaques de SnSe avec une couche à deux atomes sont rainurées, tandis que le clivage facile des cristaux se produit le long du plan (100) (Fig. 1b). Des cristaux uniques de SnSe ont été cultivés en utilisant la méthode de Bridgman modifiée, comme décrit précédemment [24, 30]. Des quantités stoechiométriques de Sn (99,999 % de grenaille, Alfa Aesar) et de Se (99,999 % de poudre, Alfa Aesar) ont d'abord été fondues en un lingot (~ 20 g) dans une ampoule de quartz à double fermeture. Les matières premières ont été lentement chauffées à 500 °C et maintenues pendant 10 h, puis maintenues à 9 920 °C pendant 10 h supplémentaires avant d'arrêter le four. Le lingot obtenu a été broyé en poudre et rempli dans un tube de quartz en forme de cône, évacué et scellé à la flamme. Ce tube de quartz en forme de cône chargé a été placé dans un tube de quartz plus grand. Le tube extérieur a été rempli d'Ar gazeux pour empêcher l'explosion et l'oxydation, puis scellé à la flamme. L'ampoule de quartz chargée a été placée à la position où le gradient de température était le plus important dans le four tubulaire vertical. Le four tubulaire vertical a été lentement chauffé à 970 °C pendant 20 h, maintenu pendant 10 h, puis refroidi à 830 °C à raison de 0,5 °C/h. Le four a été maintenu à 830 °C pendant 24 h supplémentaires, puis refroidi à 500 °C à raison de 100 °C/h avant d'arrêter le four.

un –c Structure cristalline des cristaux de SnSe le long de a -, b -, et c -directions axiales. d Photographie d'un SnSe monocristallin développé. e Photographies de cristaux de SnSe clivés le long du a -axe (100) plan. Vues de dessus du plan clivé (100) du monocristal SnSe (image de droite en d )

Résultats et discussion

Un cristal de SnSe en forme de cône (diamètre, 30 mm ; longueur, 70 mm) a été obtenu et est illustré sur la figure 1d–e. Le cristal obtenu a été divisé en deux morceaux en raison d'une fissure qui s'est produite lors de l'extraction du cristal de l'ampoule de quartz (Fig. 1d). La qualité des cristaux de SnSe cultivés a été vérifiée en utilisant un diffractomètre à rayons X sur poudre (XRD, New D8-Advance, Bruker-AXS, Allemagne) avec Cu Kα (λ = 1,5406 Å). La figure 2a montre le modèle XRD du fichier de diffraction de puissance (PDF) 48-1224 pour le SnSe orthorhombique, ainsi que le modèle pour le cristallographique a axe, qui est perpendiculaire au plan clivé (100) du cristal de SnSe. Comme le montre la Fig. 2a, le motif XRD du SnSe monocristallin suggère fortement un cristal orthorhombique monophasé avec un groupe spatial Pnma [31], indiquant une forte orientation privilégiée avec des réflexions (h00), ce qui est en bon accord avec un rapport précédent [32]. De plus, les pics prédominants étaient (400) et (800), à 2θ = 31,081° et 64,818°, respectivement, comme le montre la Fig. 2a [33]. Comme le montre la figure 2b, la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX) a révélé le rapport atomique Sn:Se de 1:1, confirmant le rapport stoechiométrique de Sn et Se (encadré de la figure 2b). Les encarts de la figure 2b montrent également une image de microscopie électronique à balayage (MEB) et une cartographie EDX d'un FET à nanoflocons de SnSe avec une épaisseur de dispositif de 90 nm. Ce résultat est en bon accord avec les rapports précédents [24, 33]. De plus, la conductivité électrique du SnSe monocristallin (encadré de la Fig. 2b) a été mesurée pour des températures allant de 30 à 300 K, en utilisant la méthode conventionnelle de la sonde à quatre points. La figure 2c montre la conductivité électrique dépendant de la température des monocristaux de SnSe le long de trois directions cristallographiques différentes, indiquant des comportements dépendants de la température et des comportements d'anisotropie similaires en raison des différentes mobilités des trous dans le SnSe le long des différentes directions axiales. Comme le montre la figure 2c, la conductivité électrique le long du b - et c -L'axe à 300 K a été déterminé à ~6,00 S cm ⁻¹ , qui est environ 2,2 fois plus grand que celui du a -axe (~2,7 S cm ⁻¹ ). Ce résultat est en bon accord avec les résultats précédents pour le SnSe monocristallin [24]. Sur la Fig. 2c, la conductivité électrique dépendante de la température du SnSe monocristallin est illustrée pour la plage des semi-conducteurs (30 - 100 K) et pour la plage des métaux (> 100-300 K). Au-dessus de 100 K, les cristaux de SnSe cultivés ont présenté un comportement de transport métallique, cohérent avec les observations précédentes [24].

un Diagramme XRD de monocristaux de SnSe, montrant une diffraction claire (h00). b Spectre EDX des monocristaux de SnSe. Encart montre les informations détaillées du rapport atomique de Sn et Se. Encarts présentent une image SEM et une cartographie EDX d'un FET à nanoflocons de SnSe avec une épaisseur de dispositif de 90 nm. c Conductivité électrique dépendante de la température des monocristaux de SnSe, pour des températures allant de 30 à 300 K, mesurée à l'aide de la méthode de la sonde à quatre points

Les dispositifs FET SnSe ont été fabriqués comme suit. Tout d'abord, des nanoflocons de SnSe ont été exfoliés mécaniquement sur un SiO₂ de 300 nm d'épaisseur /p ⁺⁺ Substrat de Si à partir de cristaux simples de SnSe, facilement clivé dans le plan (100) en utilisant la méthode bien connue du scotch (Fig. 1e) [26, 27, 34]. Les mesures du transport électrique dans des FET de nanoflocons de SnSe individuels tels que préparés ont été effectuées à température ambiante dans la configuration de FET à grille arrière. La figure 3a montre schématiquement des dispositifs FET à base de nanoflocons de SnSe avec une porte arrière de grande surface. Dans cette étude, deux nanoflocons de SnSe (nanoflocons de SnSe de 70 et 90 nm d'épaisseur) ont été préparés sur le SiO₂ /Si substrat. Les FET SnSe ont été fabriqués à l'aide de la méthode standard de lithographie par faisceau d'électrons suivie de deux types de métallisation, à savoir, Au (épaisseur, 100 nm) et Ti/Au (épaisseurs, 10/100 nm) ont été considérés comme des contacts ohmiques sur des nanoflocons de SnSe. Avant le processus de métallisation, une gravure à l'oxyde tamponné (BOE) a été effectuée pour éliminer les résidus de polymère et d'oxyde sur les surfaces des nanoflocons. La figure 3b montre une image optique d'un FET à nanoflocons de SnSe avec une épaisseur de dispositif de 90 nm. Les épaisseurs des nanoflocons de SnSe ont été mesurées à l'aide d'un microscope à force atomique (AFM) à température ambiante (Fig. 3c–d). Comme le montre la figure 3b et l'encadré de la figure 2b, le FET SnSe fabriqué de 90 nm d'épaisseur avait la longueur de canal (L ) de 5 μm et de largeur (W ) de 4,71 μm, tandis que pour le FET SnSe de 70 nm d'épaisseur L était de 5 μm et W était de 6 μm. Tout le courant-tension (I -V ) ont été mesurées à l'aide d'un analyseur de paramètres à semi-conducteur (HP 4155C, Agilent Technologies, États-Unis) sur une station de sonde électriquement blindée à température ambiante. La figure 4a montre le courant de drain (I _d ) en fonction de la tension de grille (V _g ), pour le nanoflocon SnSe de 90 nm d'épaisseur, pour les tensions source-drain (V _ds ) de -30, 0 et 30 V, à température ambiante, indiquant un comportement clair des semi-conducteurs de type p, qui est principalement attribué aux lacunes de Sn, comme indiqué précédemment [15, 16, 22, 24, 35,36,37 ,38,39]. Le résultat de la Fig. 4a implique que l'UA métallique avec son travail de sortie élevé devrait former des contacts ohmiques faibles sur les nanoflocons de SnSe, indiquant une barrière Schottky inférieure pour la bande de conduction des nanoflocons de SnSe. Une discussion plus détaillée, pour les fonctions de sortie de différents métaux, sera fournie plus tard. La figure 4b montre I _d contre V _ds pour différents V _g , allant de -40 à 40 V, par pas de 10 V. D'après la Fig. 4b, la mobilité du trou (μ _p ) est déterminé à environ 2,7 cm ² /V s, obtenu à partir de μ p = t _m [L ⁄ (WC _bœuf V ds)], où t _m est la trans-conductance (=dI _d /dV _g = 2.89 × 10 ^− 8 Un /V ), L est la longueur (~5,1 μm), W est la largeur (~4,75 μm), V _ds est la tension drain-source (~1 V) du FET SnSe, et C _bœuf (=ε _r ε ₀ /d = 11,5 nF/cm ² ) avec ε _r (la constante diélectrique) de 3,9 et d (l'épaisseur de la couche d'oxyde) de 300 nm est la capacité par unité de surface du FET à nanoflocons de SnSe à grille arrière. La mobilité des trous évaluée des FET à nanoflocons de SnSe exfoliés mécaniquement est beaucoup plus petite que celle des films minces épitaxiés de SnSe (~ 60 cm ² /V s) préparé par dépôt laser pulsé sur des substrats de MgO à l'aide de cibles riches en Se [40]. Cependant, la valeur obtenue ici est ~1,8 fois supérieure à celle obtenue pour les nanoplaques monocristallines de SnSe (~1,5 cm ² /V s) [33]. Une telle mobilité relativement faible des trous peut être attribuée à une forte diffusion des phonons en raison des lacunes de Sn sur la surface de SnSe [18, 36, 41, 42] et d'une barrière Schottky relativement élevée à l'interface Au métal-nanoflake de SnSe.

un Schéma d'un FET de nanoflocons de SnSe exfolié mécaniquement sur un SiO₂ /p ⁺⁺ Substrat Si. b Image optique d'un FET à nanoflocons de SnSe fabriqué qui a été utilisé pour les mesures de transport électrique. c Image AFM d'un nanoflocon de SnSe sur un SiO₂ /Si substrat. d Profil de hauteur AFM d'un nanoflocon de SnSe, pour estimer l'épaisseur et fabriquer des dispositifs FET

un Courant de vidange (I _d ) en fonction de la tension source-drain appliquée (V _ds ), pour les tensions de grille (V _g ) de -30, 0 et 30 V, pour un FET à nanoflocons de SnSe de 90 nm d'épaisseur, à température ambiante. b Je _d contre V _ds pour V _g allant de -40 à 40 V par pas de 10 V, pour le FET à nanoflocons de SnSe de 90 nm d'épaisseur. L'encart montre Je _d contre V _g pour V _ds de 0,8 et 1,0 V, mesuré à température ambiante. c Je _d contre V _ds sans biaiser V _g (=0) pour les contacts Au et Ti sur un FET à nanoflocons de SnSe. L'encart montre une image numérisée par l'AFM de nanoflocons de SnSe. d Schémas des diagrammes de bandes d'énergie de deux métaux, Au et Ti, sur des semi-conducteurs SnSe de type p

De plus, nous avons observé un faible accord de porte de la conductance dans la région d'appauvrissement du I _d contre V _ds (Fig. 4c) et un faible rapport marche/arrêt de courant (~2 à V _ds de 1 V, encarts de la Fig. 4c) dans le nanoflake FET p-SnSe avec des contacts métalliques Au. Un comportement similaire a été signalé pour d'autres matériaux semi-conducteurs bidimensionnels (2D) avec une épaisseur similaire, y compris les FET SnS (épaisseur, ~50-80 nm) [43], les nanoplaques SnSe ~15.8-nm-thick [33], ~80 -nm-thick MoS₂ [44] et ~84 nm d'épaisseur SnSe₂ [26]. Ces comportements peuvent s'expliquer par l'effet de longueur de blindage des porteurs finis dû à l'existence d'une couche superficielle conductrice dans les dispositifs FET avec des épaisseurs supérieures à la longueur de blindage \( \left(\sqrt{\varepsilon {K}_B T}{e }^2 p\right) \), où ε , K _B , et p sont la constante diélectrique du semi-conducteur, la constante de Boltzmann et la densité de porteurs de trous, respectivement, [43].

Les contacts métalliques déterminent de manière importante les caractéristiques des dispositifs FET 2D [45]. Pour déterminer l'effet des fonctions de travail du métal sur le SnSe, nous avons considéré Au (fonction de travail, ~5,1 eV) et Ti (fonction de travail, ~4,3 eV) comme des contacts métalliques sur les nanoflocons de SnSe. La figure 4c montre un I typique _d contre V _ds courbes sans modulation de gate (V _g = 0) pour les FET à nanoflocons de SnSe avec des contacts Au et Ti, indiquant une résistance globale plus élevée pour Ti (~15,4 MΩ) par rapport à celle pour Au (~0,56 MΩ). Ainsi, la barrière Schottky à l'interface métal-SnSe est plus élevée pour Ti (Fig. 4c). Ce comportement est toujours observé sur tous les FET SnSe avec des contacts Ti. Comme le montre la figure 4d, la hauteur de la barrière Schottky pour les trous augmente à mesure que le travail d'extraction du métal diminue. Ainsi, des métaux tels que Pd, Au et Pt, avec de grandes fonctions de travail, peuvent convenir comme contacts ohmiques sur les FET à nanoflocons p-SnSe car pour ces métaux, la hauteur de la barrière Schottky pour l'injection de trous sera plus faible. La résistance de contact doit être mesurée pour les métaux supplémentaires, afin de déterminer leur adéquation en tant que contacts métalliques sur les nanoflocons de SnSe. Ce problème est actuellement résolu à l'aide de la méthode de longueur de transfert.

Conclusions

En résumé, des nanoflocons de SnSe multicouches ont été cultivés, exfoliés et caractérisés pour les canaux FET SnSe avec une structure FET à porte arrière sur SiO₂ Substrats /Si. Les mesures de transport électrique ont démontré que les nanoflocons de SnSe multicouches avec des contacts métalliques Au présentent des caractéristiques de semi-conducteur de type p avec une barrière Schottky relativement faible et une faible résistance de contact sur les FET de nanoflocons de SnSe exfoliés. En outre, nous soulignons que cette étude est la première à rapporter des FET à base de nanoflocons de SnSe exfoliés mécaniquement et nous sommes convaincus que nos FET à nanoflocons de SnSe sont très prometteurs pour les appareils électriques 2D ainsi que pour les applications de récupération d'énergie, y compris la future génération de thermoélectricité. .