Transistor de efecto de campo SnSe2 con alta relación de encendido / apagado y fotoconductividad con conmutación de polaridad

Resultados y discusión

La Figura 1a muestra un diagrama esquemático de SnSe ₂ Dispositivo FET. Los contactos están cubiertos por una capa de PMMA (tipo 950 A5) para aislarlos eléctricamente de la puerta superior, que consiste en una gota de agua desionizada que gotea de una pipeta. El dispositivo puede ser controlado por un voltaje de puerta superior ( V _tg ) aplicado a un electrodo en contacto con la gota de agua DI o por un voltaje de puerta trasera ( V _bg ) aplicado a través del SiO ₂ apoyo. La imagen óptica de SnSe ₂ las escamas con electrodos estampados se muestran en la Fig. 1b. El espacio entre la fuente y el drenaje es de aproximadamente 2 μm. Se utilizó espectroscopia Raman para caracterizar SnSe ₂ material, como se muestra en la Fig. 1c. La huella dactilar alcanza un máximo de 187 cm ⁻¹ y 112 cm ⁻¹ corresponde al fuera del plano A _1g modo y en el plano E _g modo, respectivamente, que concuerda bien con los informes de otros. Sin embargo, es difícil determinar el grosor de SnSe ₂ desde la posición del pico Raman. A diferencia de MoS ₂ , la característica dependiente del espesor de la posición del pico Raman no está clara [24, 25, 26]. Entonces, adoptamos la microscopía de fuerza atómica (AFM) para medir el espesor de las escamas directamente. Como se muestra en la Fig. 1d, el espesor de SnSe ₂ la escama mide aproximadamente 34 nm.

Una ilustración de SnSe ₂ dispositivo fototransistor y algunas caracterizaciones básicas sobre el SnSe ₂ escama. un Ilustración esquemática de un SnSe ₂ Dispositivo de transistor de efecto de campo. b Imagen óptica de un SnSe ₂ escamas con S y D que denotan la fuente y los electrodos de drenaje en estudio, respectivamente. c Espectro Raman de un SnSe ₂ escama. d Un perfil de altura extraído de la línea punteada negra (que se muestra en la Fig.1 b ) en la medición de AFM

La curva de salida del dispositivo FET bajo diferentes voltajes de puerta trasera medidos en la oscuridad se muestra en la Fig. 2a. La relación lineal y simétrica de I _d -V _ds demuestra un contacto óhmico entre los electrodos de Ti / Au y el SnSe ₂ canal. De la Fig. 2a, encontramos que el efecto de modulación de la conductividad de SnSe ₂ por voltaje de puerta trasera es muy leve. La proporción de I _d entre el voltaje de puerta 30 y - 30 V es solo 1,15 a V _ds de 50 mV. El actual I _d en la puerta trasera, el voltaje de - 30 V es tan grande como ~ 1,47 μA en V _ds de 5 mV, que no se puede apagar con el voltaje de la puerta trasera. Incluso el aumento del voltaje de la puerta grande hasta 100 V todavía no llevó al canal a su estado desactivado como resultado de la detección del potencial controlado por la densidad de portadoras ultra alta en el SnSe ₂ , que se ha informado en trabajos anteriores de Pan y Su [12, 13]. Según la teoría de los semiconductores, podemos hacer una estimación aproximada del ancho de agotamiento W de una estructura de metal-aislante-semiconductor (MIS), que está determinada por \ (W ={\ left (\ frac {2 {\ varepsilon} _r {\ varepsilon} _0 {\ varphi} _s} {e {N} _D } \ right)} ^ {1/2} \), donde φ _s es el potencial de superficie, N _D la concentración de impurezas del donante, y ε ₀ y ε _r vacío y permitividad relativa, respectivamente. Tomando φ _s , ε _r , N _D de 1 V, 9,97 y 1 × 10 ¹⁸ / cm ³ en la ecuación como un cálculo conservador, el ancho de agotamiento W es de aproximadamente 22 nm, que es mucho más pequeño que el grosor de nuestro SnSe ₂ escamas (34 nm). Por lo tanto, es fácil comprender que no hay agotamiento de los electrones por la modulación de la puerta trasera.

Característica de salida y transferencia de SnSe ₂ FET medido en la oscuridad. yo _d versus V _sd característica de SnSe ₂ FET con compuerta trasera con diferentes voltajes V _bg ( a ), a diferentes voltajes de activación superiores V _tg en una escala lineal ( b ), y en diferentes V _tg en una escala semi-logarítmica ( c ). yo _d versus V _tg característica de SnSe ₂ FET con V _sd que van de 2 mV a 10 mV en pasos de 2 mV dibujados en una escala semi-logarítmica, el recuadro es un gráfico de escala lineal de I _d -V _tg característica ( d )

En notable contraste, cuando se usa agua desionizada como puerta superior, el I _d -V _ds La curva exhibe una modulación eficiente incluso con una pequeña polarización de puerta, como se muestra en la Fig. 2b. La relación de corriente entre los voltajes de puerta de 0,4 V y - 0,8 V es más de 10 ³ , que se ve más claramente en la Fig. 2c dibujada en una escala semilogarítmica. Las curvas de transferencia sobre SnSe ₂ Los FET con puerta superior se muestran en la Fig. 2d, que muestra un comportamiento conductor típico de tipo n. El voltaje escanea desde la dirección negativa a la dirección positiva con una tasa de escaneo de 10 mV / s. La doble capa eléctrica (EDL) en líquido iónico o electrolito sólido posee una alta capacitancia y se puede utilizar para lograr un acoplamiento de carga muy eficiente en materiales 2D y estratificados. Sin embargo, los procesos de transferencia de carga lentos debido a los iones de gran tamaño y masa requieren velocidades de exploración de baja polarización para mantener el equilibrio en la interfaz puerta-canal. Por el contrario, cuando se usa agua desionizada como capa dieléctrica, tanto el H ⁺ y OH ^- los iones tienen menor tamaño y masa y el agua tiene una baja viscosidad. Por lo tanto, la compuerta de agua DI a través de la doble capa en la interfaz agua-semiconductor soporta velocidades de barrido de voltaje mucho más altas y responde más rápido que la compuerta de líquidos iónicos o la compuerta de electrolitos sólidos. El recuadro es un gráfico de escala lineal de I _d -V _tg característica. En particular, el agua DI como puerta superior mejora en gran medida las características de transconductancia del SnSe ₂ FET. Como V _tg varía de - 0,8 a 0,4 V, I _d cambios de 9,5 × 10 ⁻¹¹ hasta 7,6 × 10 ⁻⁷ A con una relación de corriente de encendido / apagado de ∼ 10 ⁴ . La oscilación del subumbral calculada a partir de la característica de transferencia es ∼ 62 mV / década. Estos valores son lo suficientemente buenos para el funcionamiento práctico de bajo voltaje de dispositivos FET de calcogenuro metálico en capas. La movilidad μ se puede calcular usando la siguiente ecuación:\ (\ mu =\ frac {d {I} _d} {d {V} _g} \ cdotp \ frac {L} {W {C} _ {H2O} {V} _ { sd}} \), donde L y W son la longitud y el ancho del canal ( L = 2 micras, W =5 μm), respectivamente, y C _H2O es la capacitancia de la puerta de agua DI por unidad de área. Aquí, la capacitancia de C _H2O se midió en 348 nF / cm ² , cuyo cálculo detallado se adjunta en el material complementario (Archivo adicional 1:Figura S1a yb). La movilidad de electrones obtenida es de 127 cm ² / Vs, que es bastante bueno en comparación con otros materiales 2D de pocas capas. El efecto de modulación sustancialmente mejorado realizado por la puerta superior con agua DI como capa dieléctrica ha sido reportado en el trabajo de Huang [27]. Aplicaron una compuerta de agua DI en el SnS ₂ , MoS ₂ y BP en escamas y lograron una alta relación de encendido / apagado, una oscilación ideal por debajo del umbral y una excelente movilidad. Atribuyeron estas mejoras a proteger perfectamente la escama de los adsorbatos ambientales y la pasivación de los estados de la interfaz por el alto- k dieléctrico ( ε _{r (H2O)} =80). El efecto de pasivación y filtrado proporcionado por el agua DI es similar al de otros materiales convencionales de alto dieléctrico, como HfO ₂ o Al ₂ O ₃ [18, 19]. Además, el acoplamiento efectivo entre el agua desionizada y el SnSe ₂ a través de los bordes de las escamas parece jugar un papel importante para lograr una alta proporción de encendido / apagado incluso para una escama gruesa. Comparado con SiO ₂ compuerta trasera, la compuerta de agua DI puede reducir efectivamente la distancia del campo eléctrico (de unos 100 nm a menos de 1 nm), por lo que el voltaje de la puerta de umbral también disminuyó de varias decenas de voltios a menos de 1 V.De la imagen insertada de la Fig. 2d, el pequeño salto de corriente a aproximadamente V _tg =0,4 V es posiblemente causado por la electrólisis del agua DI debido a su estrecha ventana electroquímica, que se ha informado en el trabajo de Huang [27].

La respuesta fotoeléctrica dependiente del tiempo del SnSe ₂ El FET controlado por puerta trasera o superior se muestra en la Fig. 3. Curiosamente, el SnSe ₂ FET muestra una fotocorriente positiva en una compuerta negativa y una fotocorriente negativa en una compuerta positiva independientemente de la compuerta desde la compuerta trasera a través de SiO ₂ o desde la puerta superior a través del agua desionizada. En la Fig. 3a, podemos ver la magnitud de los aumentos de la fotocorriente al aumentar el voltaje negativo de la puerta trasera. Cuando el voltaje de la puerta trasera es - 80 V, la fotoconductividad relativa (definida como Δσ / σ ₀ , donde σ ₀ es la conductividad oscura y Δσ es la diferencia entre σ y σ ₀ ) es del 5%. Cuando se usa agua desionizada como puerta superior, obtenemos una ley similar a la que se muestra en la figura 3b. Con la configuración de voltaje de la puerta superior en - 0,4 V, la fotoconductividad relativa podría alcanzar el 6%. Sin embargo, es fácil ver que el tiempo de respuesta entre los dos tipos de puerta es bastante diferente. Para puerta trasera con SiO ₂ como dieléctrico, el tiempo de respuesta para el borde de subida es de unos 30 s. Mientras que para la compuerta superior con agua desionizada como dieléctrico, el tiempo de respuesta es de solo 1,7 s. Aquí, el tiempo de subida del 10 al 90% (o el tiempo de caída del 10 al 90%) se define como el tiempo de respuesta. La velocidad de respuesta mucho más rápida con la compuerta de agua DI debería estar relacionada con la mayor movilidad del portador (127 cm ² / Vs) debido al cribado eficaz de la dispersión de impurezas o adsorbatos. Curiosamente, cuando el voltaje de la puerta es positivo, el SnSe ₂ la película exhibe una fotoconductividad negativa (NPC) como se muestra en la Fig. 3c y d. Debe enfatizarse que la fotoconductividad bipolar dependiente de la puerta no es inducida por la corriente de fuga entre la puerta y la fuente. Medimos la corriente de fuga de I _g al aplicar un sesgo de puerta positivo o negativo, como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S2. El signo de yo _g sigue la dirección de V _gs y es exactamente contrario al signo de la fotocorriente de drenaje a fuente ( I _d ). Además, la magnitud de I _g es mucho más pequeño que I _d , por lo que se puede ignorar su impacto. En NPC de SnSe ₂ FET con H ₂ O como dieléctrico, hay dos características que son distintas de la fotoconductividad positiva (PPC). Uno es el valor absoluto de la fotoconductividad relativa que actúa en V positivo _tg (~ 20%) es eminentemente mayor que la compuerta en V negativo _tg (6%). El otro es el SnSe ₂ FET muestra un tiempo de respuesta mucho más largo (~ 30 s) con V positivo _tg que eso en negativo V _tg (1,7 s).

Dependencia del tiempo de la fotorrespuesta de SnSe ₂ FET sesgado en V _sd =5 mV cuando se aplica a diferentes voltajes de compuerta trasera negativos V _bg ( a ), voltajes de compuerta superior negativos V _tg ( b ), voltajes de compuerta trasera positivos V _bg ( c ) y voltajes de compuerta superior positivos V _tg ( d )

El fenómeno de la fotoconductividad negativa (NPC) se ha informado en varias nanoestructuras de semiconductores, como nanotubos de carbono, nanocables de InAs y nanocables de ZnSe [28,29,30] . Por lo general, se sugiere que la adsorción molecular y la fotodesorción de oxígeno son responsables del efecto NPC. Sin embargo, tal explicación no se aplica a nuestro SnSe ₂ sistema, ya que la desorción de oxígeno solo conduciría a una mayor concentración de electrones y conductividad. Para comprender el efecto NPC y la coexistencia de NPC y PPC en SnSe ₂ , medimos el I _d -V _tg curvas de SnSe ₂ FET bajo iluminación, como se muestra en la Fig. 4. Para una comparación clara, también se agregan las curvas de transferencia en la oscuridad. Podemos ver que el dispositivo exhibe una fotoconductividad bipolar, que puede ser conmutada por voltaje de puerta. Las curvas de transferencia medidas bajo iluminación y en la oscuridad se cruzan casi con un voltaje de puerta de 0 V. Por lo tanto, el dispositivo muestra una fotoconductividad positiva con un sesgo de compuerta negativo y una fotoconductividad negativa con un sesgo de compuerta positivo, lo cual está de acuerdo con los resultados. se muestra en la Fig. 3. Como es bien sabido, la conductividad σ se determina como σ = neμ , donde n , e y μ son la concentración de portadores, la carga de electrones y la movilidad, respectivamente. Entonces, la conductividad está determinada por el producto de la concentración del portador y la movilidad. En la curva de transferencia bajo luz, el cambio de transconductancia g _m a través del voltaje de puerta cero implica una alteración de la movilidad. A partir de las curvas de transferencia, la movilidad de la iluminación y la oscuridad se puede calcular como se muestra en las Tablas 1 y 2. La movilidad de SnSe ₂ en la oscuridad mide unos 70 cm ² / Vs, mientras que la movilidad bajo iluminación tiene dos valores:unos 60 cm ² / Vs en menos sesgo de puerta y ~ 4 cm ² / Vs en polarización de puerta positiva. En V negativo _tg , la movilidad del estado claro y oscuro es casi la misma, mientras que la concentración de portadores bajo excitación de luz es mayor que la del estado oscuro. Entonces, el dispositivo exhibe una fotoconductividad positiva. En V positivo _tg , la movilidad es más de un orden menor que en el caso de V negativo _tg , y la disminución de la movilidad supera el aumento de la concentración de portadores y domina la evolución de la fotoconductividad. Por lo tanto, se produce una fotoconductividad negativa neta en sustitución de la fotoconductividad positiva.

yo _d -V _tg característica de SnSe ₂ FET bajo iluminación y en la oscuridad

Pai-Chun Wei y col. encontró un efecto NPC en una pequeña banda prohibida y una película de InN degenerada y lo atribuyó a la depresión de la movilidad causada por la dispersión severa de los centros de recombinación cargados [31], que puede aplicarse a nuestro SnSe ₂ sistema. Pero no está claro por qué la movilidad disminuye cuando la polarización de la puerta escanea del voltaje negativo al positivo. Creemos que este fenómeno se origina en algunos estados en brecha. Los estados in-gap pueden deberse a algunos defectos puntuales, como las vacantes de Se. Bajo iluminación, los estados dentro del espacio debajo de E _f Atraparán algunos agujeros fotogenerados y se convertirán en centros de dispersión cargados positivamente. Con V _tg escaneando desde el sesgo negativo al positivo, más estados dentro del espacio caen por debajo de E _f se convierten en centros de dispersión cargados, lo que lleva a una disminución de la movilidad. Se necesita más trabajo para comprender completamente el mecanismo de NPC.