Jonctions ReSe₂–Au montrant une forte rectification de 273 à 340 K

Résumé

L'effet Schottky des matériaux bidimensionnels est important pour l'électronique à l'échelle nanométrique. Une flocon de ReSe₂ est transféré pour être suspendu entre un puits Au et un nanofilm Au. Ce dispositif est initialement conçu pour mesurer les propriétés de transport du flocon ReSe₂. Cependant, un comportement de rectification est observé dans l'expérience de 273 à 340 K. Le coefficient de rectification est d'environ 10. La microstructure et la composition élémentaire sont analysées systématiquement. Le flocon ReSe₂ et le film Au sont trouvés en contact avec le substrat Si depuis l'image du microscope électronique à balayage en vue oblique à 45°. Les contacts ReSe₂/Si et Si/Au sont une hétérojonction p-n et des contacts Schottky. L'asymétrie des deux contacts résulte dans le comportement de rectification. La prédiction basée sur la théorie de l'émission thermionique s'accorde bien avec les données expérimentales.

Introduction

Les comportements de rectification des contacts métal-semiconducteur, où le courant varie avec la direction de la tension appliquée, sont largement utilisés dans les diodes à barrière Schottky, transistors à effet de champ (FET) et FET métal-oxyde-semiconducteur. Schottky a expliqué le comportement par les couches d'appauvrissement du côté semiconducteur de telles interfaces. Les différences de fonction de travail électronique entre métal et semiconducteur conduisent au comportement de rectification nommé effet Schottky. Le contact entre métal et matériaux semiconducteurs bidimensionnels (2D) est un contact Schottky lorsque le métal a une fonction de travail électronique plus élevée qu'un semiconducteur 2D de type n ou plus faible qu'un semiconducteur 2D de type p. L'effet Schottky des métal/matériaux 2D a de grandes applications dans les micro-photodétecteurs, micro-FET, capteurs de gaz et phototransistors. Parmi les matériaux 2D, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) ont attiré beaucoup d'attention car ils ont une bande interdite considérable et la bande interdite transite d'indirecte à directe lorsque l'épaisseur est réduite à monocouche. La bande interdite assure que les TMD peuvent être utilisés pour de nombreuses applications, ex. FET et cellules solaires. Les TMD peuvent aussi être utilisés dans le domaine thermoélectrique, ce qui a attiré une large attention. De nombreuses expériences ont exploré les propriétés et applications de TMD tels que MoS₂, MoSe₂, WSe₂, WS₂. Lopez-Sanchez et al. ont réalisé des phototransistors monocouche ultrasensibles avec MoS₂. Britnell et al. ont réalisé une hétérostructure WS₂/graphène et démontré son application en dispositif photovoltaïque. WSe₂, comme semiconducteur ambipolaire, a été contrôlé avec des grilles électrostatiques doubles pour fabriquer une diode électroluminescente. Parmi les TMD, ReSe₂ est différent des autres TMD du groupe VI car ReSe₂ appartient aux TMD du groupe VII avec un électron supplémentaire dans les orbitales d, ce qui mène à une forte anisotropie dans le plan. Quelques études ont exploré les propriétés électriques de ReSe₂ dues à sa structure de bande spéciale. La rectification de courant est explorée avec une hétérojonction p-n ReSe₂/WS₂ et ReSe₂/MoS₂. FET est réalisé pour investiguer les propriétés électriques des contacts métal/semiconducteur comme ReSe₂/métal ou ReS₂/métal.

Dans cette lettre, un flocon ReSe₂ est suspendu à travers un puits Au et une électrode nanoruban Au. Le dispositif est originellement conçu pour mesurer les conductivités thermiques et électriques du flocon ReSe₂. Les mesures ont été effectuées à 340 K, 310 K, 280 K et 273 K.

Méthodes

Premièrement, le substrat Si avec électrodes Au a été fabriqué. Le substrat Si non dopé de 400 μm d'épaisseur a été oxydé pour former une couche SiO₂ de 180 nm d'épaisseur après nettoyage initial, et une résine électronique de 320 nm d'épaisseur a été déposée sur la surface SiO₂ par centrifugation. L'Au a été déposé par dépôt physique en phase vapeur pour fabriquer les nano-électrodes Au et le nanofilm Au dans le motif préparé par lithographie à faisceau d'électrons. En mettant l'échantillon dans le développeur de photorésine, la résine électronique a été gravée et l'électrode et le film Au sont restés. Finalement, la couche SiO₂ est gravée par acide fluorhydrique tamponné et la couche Si sous le nanofilm Au est gravée par plasma CF₄ pour fabriquer un nanofilm suspendu à environ 6 μm au-dessus du substrat Si.

Les flocons ReSe₂ ont été synthétisés par transition chimique en phase vapeur sur un substrat cuivre. Un flocon ReSe₂ a été transféré sur les électrodes Au pour fabriquer des contacts Au-ReSe₂-Au en utilisant la méthode de transfert par mouillage, dans laquelle le nanoruban ReSe₂ avec le substrat cuivre a été revêtu de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) et flotté sur la solution de gravure pour graver le substrat cuivre. Après que le substrat cuivre a été décollé, le flocon ReSe₂ revêtu PMMA a été déplacé avec précision au-dessus du substrat Si avec nano-électrodes Au par la plateforme de transfert à point fixe. Ensuite, le PMMA a été coupé par laser et le flocon ReSe₂ revêtu PMMA s'est posé pour être suspendu entre le nanofilm Au et la nano-électrode Au. Finalement, le PMMA a été retiré en trempant l'échantillon dans un bain de solution d'hydroxyde de potassium pendant 3 h. L'image du microscope électronique à balayage (MEB) des jonctions Au-électrode-ReSe₂ flocon-Au nanoruban (Au-ReSe₂-Au) fabriquées en vue verticale au substrat est montrée Fig. 1a. Le flocon ReSe₂ était en contact avec un nanoruban Au dans la section B et en contact avec l'électrode Au dans la section C. La Figure 1b montre le diagramme schématique du dispositif.

a Image MEB du dispositif en vue verticale au substrat et direction de courant positive et b diagramme schématique du dispositif 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 les jonctions Au-ReSe₂-Au a été mesurée par un multimètre numérique haute précision (Keithley 2002, 8,5 chiffres), tandis que le courant I était déterminé en mesurant la tension à travers une résistance de référence en série. Les courbes I-V des jonctions ReSe₂/Au pour tensions directes et inverses ont été mesurées à différentes températures dans un système de mesure de propriétés physiques (quantum design).

Résultats et discussion

La Figure 2 montre les courbes I-V mesurées à 273 K, 280 K, 310 K et 340 K. Des asymétries significatives dans les courbes I-V sont observées à toutes les températures mesurées, indiquant un comportement de rectification inhabituel. Les courants à 277 mV et −277 mV sont utilisés pour calculter le ratio de rectification du courant à chaque température, et le ratio de rectification 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 l'inhabituelle rectification, la microstructure du flocon ReSe₂ a été détectée 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 flocon ReSe₂ est montrée Fig. 3a–c, et l'épaisseur moyenne déterminée est de 28 nm basée sur le profil de hauteur en section transversale le long de la ligne blanche. Le spectre Raman consistant en jusqu'à 13 lignes attendues avec une forte intensité de signal est montré Fig. 3d, correspondant bien au spectre détecté par Wolverson et al. et révélant la structure cristalline triclinique du flocon ReSe₂ présent.

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

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

Image MEB du flocon ReSe₂ et du nanofilm Au en vue oblique de 45°

Schéma du circuit

La Figure 6 montre les données de spectroscopie par dispersion d'énergie (EDS). Le spectre somme de la carte de ReSe₂ est acquis 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 au flocon ReSe₂ des propriétés de semiconducteur de type p. Par conséquent, le contact ReSe₂-Si est une hétérojonction p-n et exhibe le comportement de rectification. L'asymétrie des deux contacts de rectification résulte dans le comportement de rectification apparent.

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

Le courant peut être déterminé par l'équation suivante dans les deux contacts Schottky et hétérojonction p-n :

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

où I₀ est le courant de saturation, q la charge électronique, k la constante de Boltzmann, V la tension appliquée à travers la jonction, A la surface de contact, A^* la constante de Richardson effective, Φ_B la hauteur de barrière apparente, et T la température de mesure. Le facteur d'idéalité n dépendant de la température représente le niveau auquel le contact s'écarte d'un contact Schottky idéal.

Un calcul basé sur l'Éq. (1) est fait pour examiner l'analyse du comportement de rectification. Les courants du contact ReSe₂-Si, I₁, et du contact Si-Au, I₂, sont exprimés par :

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

La Figure 7 montre que les résultats numériques s'accordent bien avec les données expérimentales. Les paramètres numériques sont montrés au Tableau 1. Le courant de saturation inverse du contact ReSe₂-Si est plus grand que celui du contact Si-Au car la surface de contact du contact ReSe₂-Si est beaucoup plus grande comme montré Fig. 4. Le courant de saturation inverse des deux contacts augmente avec la température, indiquant que les conductivités électriques des deux contacts exhibent un comportement de rectification comme montré dans l'Éq. (2).

Comparaison des courbes I-V des résultats expérimentaux et calculés

Le facteur d'idéalité du contact ReSe₂-Si est plus grand que le contact Si-Au en raison de différentes conditions de contact et structures cristallines. La Figure 4 montre que la surface du substrat Si est rugueuse à cause de la solution de gravure, ce qui rend le contact ReSe₂-Si inhomogène. Le contact inhomogène mène à un grand facteur d'idéalité. La surface rugueuse produit aussi un grand nombre d'états de piégeage qui résulte en un grand facteur d'idéalité. De plus, différents types de contact font différents facteurs d'idéalité. Le contact ReSe₂-Si 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 désaccord de maille mène toujours à des dislocations de bord et produit une haute densité d'états de piégeage, faisant que le contact ReSe₂-Si s'écarte du contact idéal et a un grand facteur d'idéalité. Le Si-Au est le contact métal-semiconducteur, 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. Cela peut être expliqué par l'Éq. (5) comme rapporté par Khurelbaatar et al.,

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

L'Équation (5) montre que le facteur d'idéalité est inversement proportionnel à la température. Le facteur d'idéalité diminue significativement avec la température seulement à basse température et change lentement quand la température est au-dessus de 300 K. Cependant, comme montré au Tableau 1, le courant de saturation inverse augmente significativement avec la température ce qui est différent du facteur d'idéalité. Cela peut être expliqué par l'Éq. (2). Selon l'Éq. (2), le courant de saturation inverse augmente avec la température car T² et exp(−qΦ_B/kT) augmentent avec la température. Du fait de la relation exponentielle entre exp(−qΦ_B/kT) et −qΦ_B/kT, exp(−qΦ_B/kT) augmente significativement avec la température. Basé sur la recherche de Zhu et al., qΦ_B du contact Au/Si dans l'expérience à 273 K et 295 K sont 0,77 eV et 0,79 eV respectivement. Les résultats calculés montrent que le courant de saturation inverse à 295 K est six fois plus grand que celui à 273 K, expliquant pourquoi le courant de saturation inverse augmente significativement avec la température.

Conclusions

En conclusion, un comportement de rectification est observé dans les contacts où un flocon ReSe₂ suspendu à travers un substrat Au et un nanofilm Au à différentes températures. L'image MEB du flocon ReSe₂ suspendu en vue oblique de 45° montre que le flocon ReSe₂ et le nanofilm Au sont en contact avec le substrat Si et la carte EDS a illustré la composition élémentaire, ReSe_1.67. Le contact entre le flocon ReSe₂ et le substrat Si est responsable du comportement de rectification. Les contacts ReSe₂-Si et Si-Au sont tous deux des contacts de rectification formant un autre circuit, et l'asymétrie des deux contacts résulte dans le comportement de rectification apparent. Les résultats calculés basés sur l'équation de courant Schottky considérant le contact Schottky Si-Au et l'hétérojonction p-n ReSe₂-Si s'accordent bien avec les résultats expérimentaux.

Abréviations

2D:

Bidimensionnel

AFM:

Microscope à force atomique

EDS:

Spectroscopie par dispersion d'énergie

FET:

Transistor à effet de champ

PMMA:

Polyméthacrylate de méthyle

SEM:

Microscope électronique à balayage

TMD:

Dichalcogénures de métaux de transition