Transistor Efek Medan Nanoflake Multi-Lapisan dengan Kontak Au Ohmic Resistensi Rendah
Abstrak
Kami melaporkan kristal tunggal timah monoselenida (SnSe) tipe-p, yang ditanam dalam ampul kuarsa tertutup ganda menggunakan teknik Bridgman yang dimodifikasi pada 920 °C. Pengukuran difraksi serbuk sinar-X (XRD) dan spektroskopi sinar-X (EDX) dispersif energi dengan jelas mengkonfirmasi bahwa SnSe yang tumbuh terdiri dari SnSe kristal tunggal. Transportasi listrik nanoflakes SnSe multi-layer, yang dibuat dengan pengelupasan dari kristal tunggal massal, dilakukan menggunakan struktur transistor efek medan (FET) back-gated dengan kontak Au dan Ti pada SiO2 /Si, mengungkapkan bahwa nanoflakes SnSe multi-lapisan menunjukkan karakteristik semikonduktor tipe-p karena kekosongan Sn pada permukaan nanoflakes SnSe. Selain itu, efek penyaringan pembawa yang kuat diamati pada FET nanoflake SnSe setebal 70−90 nm. Selanjutnya, efek kontak logam terhadap FET berbasis nanoflake SnSe multi-lapisan juga dibahas dengan dua logam yang berbeda, seperti kontak Ti/Au dan Au.
Latar Belakang
Kalkogenida logam transien menawarkan berbagai celah pita optik, yang membuat bahan ini cocok untuk digunakan dalam berbagai aplikasi optik dan optoelektronik [1]. Film tipis dari bahan ini, termasuk PbTe, PbSe, dan Bi2 Se3 [2], telah menarik banyak perhatian karena penggunaan prospektif mereka dalam perangkat optoelektronik inframerah, detektor radiasi, sel surya, perangkat memori, dan perangkat perekaman holografik [3,4,5,6,7,8]. Timah mono dan diselenida (SnSe dan SnSe2 ) telah menjadi pusat perhatian penelitian, karena koefisien penyerapannya yang tinggi, yang menguntungkan untuk aplikasi optoelektronik. Selain itu, bahan ini menjanjikan untuk digunakan dalam aplikasi termoelektrik [9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24]. Tin monoselenide (SnSe) adalah semikonduktor tipe-p dengan celah pita untuk transisi tidak langsung yang diizinkan mendekati ~0,9 eV dan untuk transisi langsung yang diizinkan mendekati ~1,2 eV, sedangkan timah diselenida (SnSe2 ) adalah semikonduktor tipe-n [6]. Struktur kristal SnSe adalah ortorombik, dan parameter sel satuannya adalah a = 11.496 Å, b = 4.151 Å, dan c = 4.444 Å; struktur ortorombik ini berubah menjadi struktur tetragonal pada suhu tinggi yang lebih rendah dari titik leleh SnSe2 [25].
Baru-baru ini, perangkat listrik biner chalcogenide dan dichalcogenide berbasis Sn, termasuk transistor efek medan (FET) dengan gerbang belakang umum area besar, telah diselidiki secara ekstensif. Secara khusus, banyak kemajuan telah dibuat dalam mengkarakterisasi FET berbasis Sn dichalcogenide [26, 27]. Pada tahun 2016, Pei dkk. melaporkan beberapa lapisan SnSe2 FET, menunjukkan rasio hidup/mati yang tinggi ~10
4
dengan lapisan penutup atas elektrolit polimer [27]. Guo dkk. juga melaporkan SnSe beberapa lapis mobilitas tinggi2 FET dengan ketebalan ~8.6 nm [28]. Dari karya-karya sebelumnya, dipastikan bahwa film SnSe konsentrasi pembawa yang tipis dan rendah menghasilkan mobilitas tinggi dan rasio hidup/mati SnSe2 FET. Terlepas dari upaya ini dalam memanfaatkan SnSe2 , bagaimanapun, karakterisasi listrik dari SnSe FET, dibuat dengan pengelupasan dari kristal tunggal, belum dilaporkan. Karakterisasi rinci transportasi listrik di SnSe beberapa dan multi-lapisan2 serpihan harus dilakukan untuk menilai sifat transportasi listrik kalkogenida timah, seperti serpihan nano SnSe, karena kristal SnSe tunggal diharapkan menunjukkan mobilitas pembawa yang tinggi ~7835 cm
2
/V s [29].
Dalam karya ini, kami mengkarakterisasi SnSe kristal tunggal yang ditumbuhkan dengan menggunakan metode Bridgman yang dimodifikasi. Transportasi listrik dalam FET nanoflake SnSe multi-layer yang disiapkan dengan pengelupasan dari kristal tunggal massal dicirikan untuk pertama kalinya menggunakan struktur FET gerbang belakang pada SiO2 /Si substrat. Selanjutnya, efek kontak logam pada FET berbasis nanoflake multi-layer SnSe juga dipelajari untuk dua jenis kontak yang berbeda (Ti/Au dan Au) karena fungsi kerja logam kontak menentukan konduksi pembawa lubang melalui penghalang Schottky di antarmuka nanoflake logam-SnSe.
Metode
SnSe memiliki struktur kristal ortorombik berlapis pada suhu kamar [24]. Gambar 1a–c menunjukkan tampilan perspektif struktur kristal SnSe di sepanjang a , b , dan c arah aksial. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1c, pelat SnSe dengan lapisan dua atom beralur, sedangkan pembelahan kristal yang mudah terjadi di sepanjang bidang (100) (Gambar 1b). Kristal SnSe tunggal ditumbuhkan dengan menggunakan metode Bridgman yang dimodifikasi, seperti yang dijelaskan sebelumnya [24, 30]. Jumlah stoikiometri Sn (tembakan 99,999%, Alfa Aesar) dan Se (bubuk 99,999%, Alfa Aesar) pertama kali dilebur menjadi batangan (~20 g) dalam ampul kuarsa tertutup ganda. Bahan mentah dipanaskan perlahan hingga 500 °C dan didiamkan selama 10 jam, kemudian ditahan pada 920 °C selama 10 jam tambahan sebelum mematikan tungku. Ingot yang diperoleh digiling menjadi bubuk dan diisi dalam tabung kuarsa berbentuk kerucut, dievakuasi, dan disegel dengan api. Tabung kuarsa berbentuk kerucut bermuatan ini ditempatkan ke dalam tabung kuarsa yang lebih besar. Tabung luar diisi dengan gas Ar untuk mencegah ledakan dan oksidasi, dan kemudian disegel dengan api. Ampul kuarsa bermuatan ditempatkan pada posisi di mana gradien suhu terbesar di tungku tabung vertikal. Tungku tabung vertikal perlahan-lahan dipanaskan hingga 970 °C selama 20 jam, ditahan selama 10 jam, dan kemudian didinginkan hingga 830 °C dengan laju 0,5 °C/jam. Tungku ditahan pada 830 °C selama 24 jam tambahan dan kemudian didinginkan hingga 500 °C pada kecepatan 100 °C /jam sebelum mematikan tungku.
a –c Struktur kristal kristal SnSe di sepanjang a -, b -, dan c -arah aksial d Foto SnSe kristal tunggal yang tumbuh. e Foto-foto kristal SnSe yang terbelah di sepanjang a -sumbu (100) bidang. Tampilan atas bidang terbelah (100) kristal tunggal SnSe (gambar kanan di d )
Hasil dan Diskusi
Kristal SnSe berbentuk kerucut (diameter, 30 mm; panjang 70 mm) diperoleh dan ditunjukkan pada Gambar 1d-e. Kristal yang diperoleh dibagi menjadi dua bagian karena retakan yang terjadi selama ekstraksi kristal dari ampul kuarsa (Gbr. 1d). Kualitas kristal SnSe yang tumbuh diperiksa dengan menggunakan difraktometer sinar-X serbuk (XRD, New D8-Advance, Bruker-AXS, Jerman) dengan Cu Kα (λ = 1.5406 Å). Gambar 2a menunjukkan pola XRD dari file difraksi daya (PDF) 48–1224 untuk SnSe ortorombik, bersama dengan pola untuk kristalografi a sumbu, yang tegak lurus terhadap bidang terbelah (100) kristal SnSe. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, pola XRD kristal tunggal SnSe sangat menyarankan kristal ortorombik fase tunggal dengan grup ruang Pnma [31], menunjukkan orientasi pilihan yang kuat dengan refleksi (h00), yang sesuai dengan laporan sebelumnya [32]. Selain itu, puncak yang dominan adalah (400) dan (800), pada 2θ = 31,081° dan 64,818°, masing-masing, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a [33]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDX) mengungkapkan rasio atom Sn:Se 1:1, mengkonfirmasi rasio stoikiometrik Sn dan Se (sisipan dari Gambar. 2b). Sisipan pada Gambar. 2b juga menunjukkan gambar pemindaian mikroskop elektron (SEM) dan pemetaan EDX dari FET nanoflake SnSe dengan ketebalan perangkat 90 nm. Hasil ini sesuai dengan laporan sebelumnya [24, 33]. Selain itu, konduktivitas listrik dari kristal tunggal SnSe (sisipan Gambar 2b) diukur untuk suhu berkisar antara 30‒300 K, menggunakan metode probe empat titik konvensional. Gambar 2c menunjukkan konduktivitas listrik yang bergantung pada suhu dari kristal tunggal SnSe di sepanjang tiga arah kristalografi yang berbeda, yang menunjukkan perilaku yang bergantung pada suhu dan perilaku anisotropi yang serupa karena mobilitas lubang yang berbeda di SnSe di sepanjang arah aksial yang berbeda. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, konduktivitas listrik di sepanjang b - dan c -sumbu pada 300 K ditentukan menjadi ~6.00 S cm
−1
, yang ~2,2 kali lebih besar dari a -sumbu (~2,7 S cm
−1
). Hasil ini sesuai dengan hasil sebelumnya untuk kristal tunggal SnSe [24]. Pada Gambar. 2c, konduktivitas listrik bergantung suhu dari kristal tunggal SnSe ditunjukkan untuk rentang semikonduktor (30–100 K) dan untuk rentang logam (>100–300 K). Di atas 100 K, kristal SnSe yang tumbuh menunjukkan perilaku transportasi logam, konsisten dengan pengamatan sebelumnya [24].
a Pola XRD kristal tunggal SnSe, menunjukkan difraksi jernih (h00). b Spektrum EDX dari kristal tunggal SnSe. Sisipkan menunjukkan informasi rinci rasio atom Sn dan Se. Inset menunjukkan gambar SEM dan pemetaan EDX dari FET nanoflake SnSe dengan ketebalan perangkat 90 nm. c Konduktivitas listrik yang bergantung pada suhu dari kristal tunggal SnSe, untuk suhu berkisar antara 30–300 K, diukur menggunakan metode probe empat titik
Perangkat SnSe FET dibuat sebagai berikut. Pertama, nanoflake SnSe dieksfoliasi secara mekanis ke dalam SiO2 setebal 300 nm2 /p
++
Substrat Si dari kristal SnSe tunggal, mudah dibelah pada bidang (100) menggunakan metode pita scotch yang terkenal (Gbr. 1e) [26, 27, 34]. Pengukuran transportasi listrik dalam FET nanoflakes SnSe individu yang disiapkan dilakukan pada suhu kamar dalam konfigurasi FET gerbang belakang. Gambar 3a secara skematis menunjukkan perangkat FET berbasis nanoflake SnSe dengan gerbang belakang area besar. Dalam penelitian ini, dua nanoflakes SnSe (nanoflake SnSe setebal 70 dan 90 nm) disiapkan pada SiO2 /Si substrat. FET SnSe dibuat menggunakan metode litografi berkas elektron standar diikuti oleh dua jenis metalisasi, yaitu, Au (ketebalan, 100 nm) dan Ti/Au (ketebalan, 10/100 nm) dianggap sebagai kontak ohmik pada serpihan nano SnSe. Sebelum proses metalisasi, dilakukan buffered oxide etching (BOE) untuk menghilangkan residu polimer dan oksida pada permukaan nanoflakes. Gambar 3b menunjukkan gambar optik FET nanoflake SnSe dengan ketebalan perangkat 90 nm. Ketebalan nanoflake SnSe diukur menggunakan mikroskop gaya atom (AFM) pada suhu kamar (Gbr. 3c-d). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b dan sisipan dari Gambar. 2b, SnSe FET yang dibuat dengan ketebalan 90 nm memiliki panjang saluran (L ) dari 5 μm dan lebar (L ) sebesar 4,71 μm, sedangkan untuk SnSe FET setebal 70 nm L adalah 5 μm dan W adalah 6 μm. Semua arus–tegangan (I -V ) karakteristik diukur menggunakan penganalisis parameter semikonduktor (HP 4155C, Agilent Technologies, USA) pada stasiun probe berpelindung elektrik pada suhu kamar. Gambar 4a menunjukkan arus pembuangan (Id ) sebagai fungsi dari tegangan gerbang (Vg ), untuk nanoflake SnSe setebal 90 nm, untuk tegangan sumber-penguras (Vds ) dari 30, 0, dan 30 V, pada suhu kamar, menunjukkan perilaku semikonduktor tipe-p yang jelas, yang terutama dikaitkan dengan kekosongan Sn, seperti yang dilaporkan sebelumnya [15, 16, 22, 24, 35,36,37 ,38,39]. Hasil pada Gambar. 4a menyiratkan bahwa AU logam dengan fungsi kerjanya yang tinggi diperkirakan akan membentuk kontak ohmik yang lemah pada serpihan nano SnSe, yang menunjukkan penghalang Schottky yang lebih rendah untuk pita konduksi dari serpihan nano SnSe. Pembahasan lebih rinci, untuk fungsi kerja dari logam yang berbeda, akan diberikan kemudian. Gambar 4b menunjukkan Sayad vs. Vds untuk V different yang berbeda g , mulai dari 40–40 V, dalam langkah 10 V. Dari Gambar 4b, mobilitas lubang (μp ) ditentukan menjadi ~2,7 cm
2
/V s, diperoleh dari μ p = tm [L (WCsapiV ds)], di mana tm adalah trans-konduktansi (=dId /dVg = 2,89 × 10
− 8A /V ), L adalah panjangnya (~5,1 μm), L adalah lebarnya (~4,75 μm), Vds adalah tegangan sumber saluran (~1 V) dari SnSe FET, dan Csapi (=εrε0 /d = 11.5 nF/cm
2
) dengan εr (konstanta dielektrik) dari 3,9 dan d (ketebalan lapisan oksida) 300 nm adalah kapasitansi per satuan luas FET nanoflake SnSe gerbang belakang. Mobilitas lubang yang dievaluasi dari FET nanoflake SnSe yang terkelupas secara mekanis jauh lebih kecil daripada film tipis SnSe epitaxial (~60 cm
2
/V s) disiapkan oleh deposisi laser berdenyut pada substrat MgO menggunakan target kaya Se [40]. Namun, nilai yang diperoleh di sini ~1,8 kali lebih besar daripada yang diperoleh untuk pelat nano SnSe kristal tunggal (~1,5 cm
2
/V s) [33]. Mobilitas lubang yang relatif rendah seperti itu dapat dikaitkan dengan hamburan fonon yang kuat karena kekosongan Sn pada permukaan SnSe [18, 36, 41, 42] dan penghalang Schottky yang relatif tinggi pada antarmuka nanoflake logam Au-SnSe.
a Skema FET nanoflake SnSe yang terkelupas secara mekanis pada SiO2 /p
++
substrat Si. b Gambar optik dari FET nanoflake SnSe fabrikasi yang digunakan untuk pengukuran transportasi listrik. c Gambar AFM dari nanoflake SnSe pada SiO2 /Si substrat. d Profil ketinggian AFM dari nanoflake SnSe, untuk memperkirakan ketebalan, dan membuat perangkat FET
a Kuras arus (Id ) sebagai fungsi dari tegangan sumber-penguras yang diterapkan (Vds ), untuk tegangan gerbang (Vg ) dari 30, 0, dan 30 V, untuk FET nanoflake SnSe setebal 90 nm, pada suhu kamar. bAkud vs. Vds untuk Vg mulai dari 40–40 V dalam langkah 10 V, untuk FET nanoflake SnSe setebal 90 nm. sisipan menunjukkan Akud vs. Vg untuk Vds 0,8 dan 1,0 V, diukur pada suhu kamar. cAkud vs. Vds tanpa bias Vg (=0) untuk kontak Au dan Ti pada FET nanoflake SnSe. sisipan menunjukkan gambar pindaian AFM dari nanoflakes SnSe. d Skema diagram pita energi dua logam, Au dan Ti, pada semikonduktor SnSe tipe-p
Selain itu, kami mengamati penyetelan gerbang yang lemah dari konduktansi di wilayah penipisan Id vs. Vds kurva (Gbr. 4c) dan rasio hidup/mati arus yang rendah (~2 pada Vds dari 1 V, inset dari Gambar. 4c) dalam FET nanoflake p-SnSe dengan kontak logam Au. Perilaku serupa dilaporkan untuk bahan semikonduktor dua dimensi (2D) lainnya dengan ketebalan yang sama, termasuk SnS FET (ketebalan, ~50–80 nm) [43], pelat nano SnSe setebal ~15,8 nm [33], ~80 -nm-tebal MoS2 [44], dan SnSe setebal ~84 nm2 [26]. Perilaku ini dapat dijelaskan oleh efek panjang penyaringan pembawa terbatas karena adanya lapisan permukaan konduktif superfisial di perangkat FET dengan ketebalan lebih besar dari panjang penyaringan \( \left(\sqrt{\varepsilon {K}_B T}{e }^2 p\kanan) \), di mana ε , KB , dan p adalah konstanta dielektrik semikonduktor, konstanta Boltzmann, dan kerapatan pembawa lubang, [43].
Kontak logam penting menentukan karakteristik perangkat FET 2D [45]. Untuk menentukan pengaruh fungsi kerja logam pada SnSe, kami menganggap Au (fungsi kerja, ~5,1 eV) dan Ti (fungsi kerja, ~4,3 eV) sebagai kontak logam pada serpihan nano SnSe. Gambar 4c menunjukkan tipikal Id vs. Vds kurva tanpa modulasi gerbang (Vg = 0) untuk FET nanoflake SnSe dengan kontak Au dan Ti, menunjukkan resistansi keseluruhan yang lebih tinggi untuk Ti (~15.4 MΩ) dibandingkan dengan untuk Au (~0.56 MΩ). Jadi, penghalang Schottky pada antarmuka logam-SnSe lebih tinggi untuk Ti (Gbr. 4c). Perilaku ini selalu diamati pada semua FET SnSe dengan kontak Ti. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d, ketinggian penghalang Schottky untuk lubang meningkat seiring dengan penurunan fungsi kerja logam. Dengan demikian, logam seperti Pd, Au, dan Pt, dengan fungsi kerja yang besar, dapat cocok sebagai kontak ohmik pada FET nanoflake p-SnSe karena untuk logam ini, ketinggian penghalang Schottky untuk injeksi lubang akan lebih rendah. Resistansi kontak harus diukur untuk logam tambahan, untuk menentukan kesesuaiannya sebagai kontak logam pada nanoflake SnSe. Masalah ini sedang ditangani menggunakan metode panjang transfer.
Kesimpulan
Singkatnya, nanoflakes SnSe multi-layer ditanam, dikelupas, dan dikarakterisasi untuk saluran SnSe FET dengan struktur FET back-gated pada SiO2 /Si substrat. Pengukuran transportasi listrik menunjukkan bahwa nanoflakes SnSe multi-layer dengan kontak logam Au menunjukkan karakteristik semikonduktor tipe-p dengan penghalang Schottky yang relatif rendah dan resistansi kontak yang rendah pada FET nanoflake SnSe yang terkelupas. Selain itu, kami menekankan bahwa penelitian ini adalah yang pertama melaporkan FET berbasis nanoflake SnSe yang terkelupas secara mekanis dan kami yakin bahwa FET nanoflake SnSe kami sangat menjanjikan untuk perangkat listrik 2D serta untuk aplikasi pemanenan energi, termasuk generasi termoelektrik masa depan. .
