Efecto del dopaje p fácil sobre las características eléctricas y optoelectrónicas de los transistores de efecto de campo ambipolares WSe2

Resultados y discusión

La Figura 1a muestra las imágenes ópticas de un WSe ₂ escamas y un WSe ₂ fabricado FET. El WSe ₂ las escamas se exfoliaron mecánicamente a partir de un WSe ₂ a granel cristal y se transfirió a un SiO ₂ de 270 nm de espesor superficie sobre una oblea de p ++ Si muy dopada que se utilizó como puerta trasera del FET. Los patrones de metal de titanio utilizados como electrodos de fuente y drenaje se depositaron en el WSe ₂ superficie. El proceso detallado de fabricación del dispositivo se explica en el archivo adicional 1:Figura S1. Un esquema del WSe ambipolar fabricado ₂ FET se muestra en la Fig. 1b. Todas las propiedades eléctricas y de conmutación de fotos de WSe ₂ Los FET se midieron en vacío (~ 3,5 × 10 ⁻³ Torr) ya que las moléculas de oxígeno y agua en el aire pueden afectar las propiedades del WSe ₂ FET. Por ejemplo, se ha informado que el tipo semiconductor de WSe ₂ Los FET pueden cambiarse de tipo n a p mediante la exposición al aire [25]. Una imagen de microscopía de fuerza atómica (AFM) del WSe ₂ el copo se muestra en la Fig. 1c con el perfil topográfico de la sección transversal. El espesor medido del WSe ₂ se encontró que la escama a través de la línea azul era de ~ 1.2 nm (un gráfico insertado en la Fig. 1c), correspondiente a la bicapa WSe ₂ (el grosor de una monocapa WSe ₂ es ~ 0,7 nm) [16]. La Figura 1d muestra el espectro Raman de un WSe ₂ mostrando dos picos claros (el pico a 520 cm ⁻¹ se asigna al sustrato de Si). El pico Raman a 245 cm ⁻¹ corresponde al plano (E ¹ _2g modo) o fuera del plano (A _1g modo) vibraciones de WSe ₂ y el pico Raman a 308 cm ⁻¹ corresponde al B ¹ _2g modo que solo aparece en WSe ₂ multicapa debido a la interacción adicional entre capas [26]. Este hallazgo asegura la buena calidad del WSe ₂ escama utilizada en estos experimentos. El E ¹ _2g y A _1g picos de WSe ₂ no pudieron ser distinguidos por el instrumento de espectroscopía Raman en este estudio porque están casi degenerados [27]. La Figura 1e muestra la curva de transferencia (corriente fuente-drenaje versus voltaje de puerta; I _DS - V _GS curva) del WSe ambipolar ₂ FET. Un comportamiento de transporte tan ambipolar de un WSe ₂ FET se debe al número de WSe ₂ capas (bicapa) que pueden determinar el tipo de portador principal en FET [28, 29].

un Imágenes ópticas de un WSe ₂ escamas (izquierda) y WSe ₂ fabricado FET (derecha). b Esquema del WSe ₂ fabricado FET con contactos de Ti. c Imagen de AFM y d Espectros Raman de WSe ₂ . e yo _DS - V _GS curvas del WSe ambipolar ₂ FET

La figura 2a muestra el I _DS - V _GS curvas del WSe ₂ FET antes y después de un recocido térmico en ambiente a 200 ° C durante 1 h. Las curvas de salida (corriente fuente-drenaje versus voltaje fuente-drenaje; I _DS - V _DS curva) del mismo WSe ₂ FET antes y después del recocido se muestran en el archivo adicional 1:Figura S2. Aquí se señalan varios puntos. Primero, el voltaje al que cambia el tipo de portadores mayoritarios ( V _{n ↔ p} ) cambió de - 15 a - 5 V después del recocido en ambiente (representado por la flecha verde en la Fig. 2a). En segundo lugar, el yo _DS aumentó significativamente en el V _GS donde la mayoría de los portadores son huecos ( V _GS < V _{n ↔ p} ) y disminuyó en la V _GS donde la mayoría de los portadores son electrones ( V _GS > V _{n ↔ p} ) después del recocido (representado por las flechas azules en la Fig. 2a). Este comportamiento se atribuye al WO ₃ capa formada por el recocido que introduce dopaje p en el WSe ₂ FET [20]. En tercer lugar, después del recocido, la movilidad del agujero aumentó de 0,13 a 1,3 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , y la movilidad de los electrones disminuyó de 5,5 a 0,69 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Usamos la fórmula μ =(d yo _DS / d V _GS ) × [ L / ( WC _i V _DS )] para calcular la movilidad del transportista, donde L (~ 1,5 μm) es la longitud del canal, W (~ 2,8 μm) es el ancho del canal y C _i = ε ₀ ε _r / d =1,3 × 10 ⁻⁴ F m ⁻² es la capacitancia entre WSe ₂ y la oblea de p ++ Si por unidad de área. Aquí, ε _r (~ 3.9) es la constante dieléctrica de SiO ₂ y d (270 nm) es el espesor del SiO ₂ capa. Estos cambios en las propiedades eléctricas después del recocido se pueden observar más claramente en los gráficos de contorno que muestran el I _DS en función de V _GS y V _DS antes (panel superior) y después (panel inferior) del recocido a temperatura ambiente (Fig. 2b). Estos diagramas de contorno se hicieron en base a una gran cantidad de I _DS - V _GS curvas medidas en la V _GS rango de - 70 a 70 V con un paso de 1,25 V y V _DS rango de 3 a 6 V con un paso de 0,25 V. Las regiones azules en los gráficos de contorno se desplazaron hacia la V positiva _GS dirección después del recocido. Este cambio es consistente con el cambio de la curva de transferencia mostrado por la flecha verde en la Fig. 2a. El cambio de color en la V positiva y negativa _GS (Fig. 2b) después del recocido indica el cambio en la corriente del canal del WSe ₂ FET (Fig. 2a). Otro WSe ₂ Los FET también mostraron el mismo cambio en las propiedades eléctricas después del recocido en ambiente (consulte el archivo adicional 1:Figuras S3 y S4 en el archivo adicional). Además, el cambio de características eléctricas por el recocido del WSe ₂ FET en el vacío (~ 4.5 × 10 ⁻⁴ Torr) a 200 ° C durante 1 h (Fig. 2c, d). En contraste con los resultados del FET recocido en ambiente, el I _DS aumentado tanto en V _GS condiciones de V _GS > V _{n ↔ p} y V _GS < V _{n ↔ p} . El I aumentado _DS obtenido por recocido en vacío se atribuye a la mejora WSe ₂ -Ti contactos sin formación de WO ₃ [30]. A partir de los resultados de la comparación, se puede anticipar que el dopaje p se introdujo por interacción con las moléculas de oxígeno durante el recocido en el ambiente. Los orígenes del cambio en las características eléctricas se discuten con más detalle a través del análisis de los datos de XPS posteriormente.

un , c yo _DS - V _GS curvas en la escala semilogarítmica de un WSe ₂ FET antes del recocido y después del recocido a 200 ° C durante 1 h. b , d Gráficas de contorno de I _DS en función de V _GS y V _DS antes del recocido (panel superior) y después del recocido a 200 ° C durante 1 h (panel inferior)

A continuación, medimos las características de cambio de fotos del WSe ₂ FET antes y después del recocido térmico en ambiente (Fig. 3a, b). Las características eléctricas de este FET se muestran en el archivo adicional 1:Figura S3. El láser se irradió en el WSe ₂ FET y se apagó cuando la corriente fuente-drenaje pareció saturarse. Tenga en cuenta que los experimentos de cambio de fotos se realizaron en V fijo _GS =0 V, V _DS =10 V, la longitud de onda del láser de 405 nm y la densidad de potencia del láser de 11 mW / cm ² . La Figura 3a, b muestra las características de fotoconmutación antes y después del recocido en ambiente, respectivamente. En este estudio, la constante de tiempo de subida ( τ _subir ) se define como el tiempo necesario para la fotocorriente (diferencia entre las corrientes medidas en la oscuridad y bajo irradiación, es decir, I _ph = yo _irra - yo _oscuro ) para cambiar del 10 al 90% del máximo, y el tiempo de caída ( τ _decaimiento ) es el momento en el que la fotocorriente disminuye a 1 / e de su valor inicial. Las regiones de color púrpura en la Fig. 3a, b indican el tiempo bajo la irradiación láser. Observamos un cambio drástico en los tiempos de respuesta de cambio de fotos del WSe ₂ FET después del recocido térmico. Ambos τ _subir y τ _decaimiento disminuyó de 92.2 y 57.6 sa menos de 0.15 sy 0.33 s, respectivamente (correspondiente a la disminución de más de 610 veces y 170 veces, respectivamente). Tenga en cuenta que τ _subir y τ _decaimiento después del recocido no se pudo medir con precisión debido a las limitaciones del instrumento. Verificar que el cambio en los tiempos de respuesta de la fotoconmutación se debe al efecto de la oxidación del WSe ₂ capas, comparamos el comportamiento de cambio de fotos del WSe ₂ FET antes y después del recocido térmico en vacío (~ 4.5 × 10 ⁻⁴ Torr) a 200 ° C durante 1 h (Fig. 3c, d). Contrariamente a la dramática disminución de los tiempos de respuesta de la fotoconmutación para el FET recocido en el ambiente, cambios relativamente pequeños de τ _subir (de 148 a 131 s) y τ _decaimiento (de 166 a 102 s) para la muestra recocida al vacío. Este resultado significa que la oxidación del WSe ₂ La superficie por recocido en el ambiente es un origen importante para la rápida respuesta de cambio de fotos. La razón del comportamiento de cambio de fotos mejorado mediante el recocido en ambiente es que la falta de coincidencia de la red entre el WSe ₂ y WO ₃ Las estructuras proporcionan trampas y sitios de recombinación en la banda prohibida de WSe ₂ , que puede promover los procesos de recombinación de portadores fotogenerados.

Respuestas de cambio de fotos de WSe ambipolar ₂ FET a , c antes y después del recocido b en ambiente a 200 ° C durante 1 hy d en vacío, respectivamente. Todos los datos se midieron en V _GS =0 V y V _DS =10 V

Además, para la investigación adicional sobre el origen de las características de cambio de fotos de larga duración después de apagar el láser, las características de cambio de fotos en varios V _GS fueron investigados (Fig. 4). Las características eléctricas de este FET se muestran en el archivo adicional 1:Figura S4. La V aplicada _GS =5 V, V _GS =- 15 V y V _GS =- 90 V corresponden al rango de V _GS > V _{n ↔ p} , V _GS ~ V _{n ↔ p} y V _GS < V _{n ↔ p} , respectivamente . Un punto notable es que las respuestas de cambio de fotos se basaron en gran medida en el rango de V _GS si estaba recocido o no. Como V decreciente _GS de 5 a - 90 V en el caso de antes del recocido, la fotoconductividad de larga duración (marcada como círculos de puntos en la Fig. 4) desaparece en V _GS =- 15 V (Fig. 4c) y luego reapareció en V _GS =- 90 V (figura 4e). Esta V _GS -Las características de conmutación de fotos dependientes se deben principalmente a la dinámica del portador de carga modificada por el V aplicado _GS [31]. Dependiendo de la V aplicada _GS afectando la ubicación del nivel Fermi (E _F ), se puede determinar la cantidad de portadores inyectados después de apagar la irradiación (archivo adicional 1:Figura S5) [31]. Propusimos los diagramas de bandas para explicar estos complejos V _GS -Características de cambio de foto dependientes en detalle cuando la irradiación se enciende y apaga (consulte la sección 4 en el archivo adicional 1).

un W y b Se picos en los espectros XPS de WSe ₂ antes y después del recocido en ambiente a 250 ° C durante 1 hy 5 h. c Esquemas de los cambios estructurales en WSe ₂ causado por el recocido térmico en el ambiente

La Figura 4a, b muestra que las características de cambio de fotos mejoraron en V _GS =5 V ( V _GS > V _{n ↔ p} ) por el recocido térmico, que está de acuerdo con los resultados de la Fig. 3. Este comportamiento también puede explicarse por los procesos de recombinación promovidos en los sitios de recombinación inducida entre WSe ₂ y WO ₃ interfaz. El resultado de PL demostró la existencia de sitios de recombinación no radiativa en WO ₃ / WSe ₂ , que se discutirá más adelante. En V _GS =- 15 V ( V _GS ~ V _{n ↔ p} ), no pudimos observar el cambio distintivo después del recocido térmico debido a las características de fotoconmutación altamente rápidas (Fig. 4c, d). Este rápido comportamiento de cambio de fotos se origina en la ubicación de E _F en medio de WSe ₂ bandgap, que suprime la inyección de carga adicional después de apagar la irradiación (consulte la sección 4 en el archivo adicional 1 para obtener más detalles). Para el caso de V _GS =- 90 V (figura 4e, f), τ _decaimiento y τ _largo se mantuvieron y acortaron, respectivamente, aunque la corriente después del recocido fue mucho mayor que antes del recocido (más de 20 veces). Es importante destacar que existe una compensación entre la corriente fotoinducida y las constantes de tiempo de desintegración en los fototransistores, porque los portadores minoritarios fotogenerados atrapados pueden producir un campo eléctrico adicional, lo que conduce a un aumento de la corriente del canal y exige una inyección de carga continua incluso después de la irradiación. está apagado [32, 33]. En este sentido, la preservación de τ _decaimiento y abreviado τ _largo a pesar del aumento significativo de la corriente fotoinducida significa las características mejoradas de fotoconmutación por el recocido en ambiente como se muestra en la Fig. 4e, f. Respecto a τ _subir , la ubicación de E _F se mueve a la banda de valencia por dopaje p, lo que hace que la neutralidad sin carga se vuelva más fuerte debido a la disminución de los sitios de trampa de orificios donde pueden ocupar los orificios fotogenerados (archivo adicional 1:Figura S6a). Debido a la fuerte neutralidad sin carga, bajo la irradiación, se inyectan más cargas para satisfacer la neutralidad de carga. Y, los portadores fotogenerados sufrirán más dispersión con portadores libres mientras pasan por el canal para contribuir a la fotocorriente, de modo que τ _subir el tiempo puede alargarse. Por esa razón, el τ _subir se alarga en V _GS =- 90 V después del recocido térmico como se muestra en la Fig. 4e, f (consulte la sección 4 en el archivo adicional 1 para obtener más detalles).

La Figura 5a, b muestra los análisis de XPS para investigar los cambios en la composición elemental de WSe ₂ por el recocido térmico en el ambiente. Aunque el recocido a 200 ° C durante 1 h fue suficiente para alterar las características eléctricas y de fotoconmutación como se muestra en las Figs. 2 y 3, esta temperatura y tiempo de recocido no fueron suficientes para observar el cambio en la composición elemental del WSe ₂ . Así, el WSe ₂ exfoliado mecánicamente las escamas se recocieron a 250 ° C durante 1 h y 5 h en ambiente para análisis de XPS como se muestra en la Fig. 5a, b. Cabe señalar que las intensidades de los dos picos de tungsteno (etiquetados como W ⁶⁺ en la Fig. 5a) a las energías de unión de 35,5 eV y 37,8 eV aumentaron gradualmente con el aumento del tiempo de hibridación, mientras que no se observaron cambios en las intensidades de los picos de selenio. Los picos de tungsteno de W ⁶⁺ generado por el recocido térmico indican la formación de WO ₃ debido a la reacción de WSe ₂ con oxígeno en el aire durante el recocido [20, 34]. Por otro lado, la formación de óxidos de selenio, como Se ₂ O ₃ , no se notó (Fig. 5b). La Figura 5c muestra los esquemas de la estructura microscópica antes y después de WSe ₂ oxidación por recocido, y esos se dibujan en función de la estructura geométrica real de WSe ₂ y WO cúbica ₃ (Longitud del enlace W-Se de 2,53 Å, longitud del enlace Se-Se de 3,34 Å y longitud del enlace W-O de 1,93 Å) [20, 35, 36]. Desde WSe ₂ tiene una estructura hexagonal, mientras que WO ₃ tiene una estructura cúbica, el WSe ₂ -WO ₃ La estructura es una heterounión en plano acolchada, como se muestra en la Fig. 5c [20]. Por lo tanto, el origen de las propiedades eléctricas cambiadas después del recocido en ambiente (Fig. 2a, b) puede explicarse por la formación de WO ₃ . El WO ₃ formado puede servir como aceptor debido a la diferencia entre las funciones de trabajo de WSe ₂ (~ 4,4 eV) y WO ₃ (~ 6,7 eV) que da lugar a un aumento de I _DS en negativo V _GS región ( V _GS < V _{n ↔ p} ) y la disminución de I _DS en el positivo V _GS región ( V _GS > V _{n ↔ p} ) [20, 37, 38]. De manera similar a nuestros resultados, ha habido varios informes de que un WO ₃ capa que está depositada o incrustada en un WSe ₂ hoja introdujo dopaje p en un WSe ₂ FET [20, 21, 22].

un Espectros Raman de WSe ₂ después del recocido en ambiente a 200 ° C durante 60 min (línea negra), a 350 ° C durante 60 min (línea roja) y a 500 ° C durante 5 min (línea azul). Las imágenes insertadas corresponden a las imágenes ópticas antes y después del recocido a 500 ° C, respectivamente. Barra de escala =15 μm. b Imágenes de mapeo Raman después del recocido a 500 ° C integradas con bandas a 712 cm ⁻¹ y 806 cm ⁻¹ , respectivamente. Barra de escala =10 μm. c Banda prohibida óptica del WSe ₂ antes, después del recocido en ambiente a 250 ° C durante 30 min y durante 60 min. Una imagen insertada es la imagen óptica de una monocapa WSe ₂ escama (etiquetada como muestra 1) con barra de escala =10 μm. d Intensidad PL máxima y las imágenes de mapeo PL correspondientes con una barra de escala de 10 μm

Realizamos experimentos de espectroscopía Raman y PL para investigar la influencia óptica por la formación de WO ₃ . La Figura 6a muestra los espectros Raman de WSe ₂ después del recocido en ambiente a 200 ° C durante 60 min (línea negra), a 350 ° C durante 60 min (línea roja) y a 500 ° C durante 5 min (línea azul). La aparición de nuevos picos alrededor de 712 cm ⁻¹ y 806 cm ⁻¹ por el recocido a 500 ° C, que están muy cerca de los picos Raman de WO ₃ (709 cm ⁻¹ y 810 cm ⁻¹ ) [39], apoyan la formación de WO ₃ capa en WSe ₂ superficie. Las imágenes insertadas son las imágenes ópticas antes y después del recocido a 500 ° C durante 5 min. Imágenes de mapeo Raman que se integran con las bandas de 712 cm ⁻¹ y 806 cm ⁻¹ en la Fig. 6b muestran el uniforme WO ₃ formación en WSe ₂ superficie.

un Espectros Raman de WSe ₂ después del recocido en ambiente a 200 ° C durante 60 min (línea negra), a 350 ° C durante 60 min (línea roja) y a 500 ° C durante 5 min (línea azul). Las imágenes insertadas corresponden a las imágenes ópticas antes y después del recocido a 500 ° C, respectivamente. Barra de escala =15 μm. b Imágenes de mapeo Raman después del recocido a 500 ° C integradas con bandas a 712 cm ⁻¹ y 806 cm ⁻¹ , respectivamente. Barra de escala =10 μm. c Banda prohibida óptica del WSe ₂ antes, después del recocido en ambiente a 250 ° C durante 30 min y durante 60 min. Una imagen insertada es la imagen óptica de una monocapa WSe ₂ escama (etiquetada como muestra 1) con barra de escala =10 μm. d Intensidad PL máxima y las imágenes de mapeo PL correspondientes con una barra de escala de 10 μm

El análisis de espectroscopía PL se realizó para dos monocapa diferentes WSe ₂ escamas (etiquetadas como muestra 1 y muestra 2) como se muestra en la Fig. 6c. El recuadro de la Fig. 6c corresponde a una imagen óptica de la muestra 1. Cada WSe ₂ los copos se recocieron durante 30 min y 60 min a 250 ° C a temperatura ambiente. Las imágenes de mapeo óptico y PL de la otra monocapa WSe ₂ escamas (etiquetadas como muestra 2) se proporcionan en el archivo adicional 1:Figura S7. A medida que aumentaba el tiempo de recocido, los huecos de banda ópticos del WSe ₂ se hizo más ancho. La banda prohibida óptica se extrajo de la energía del fotón de máxima intensidad en el espectro PL porque corresponde a la fluorescencia de resonancia que se origina en la banda prohibida. Mientras que la banda prohibida óptica de la muestra 1 se midió como ~ 1,60 eV antes del recocido correspondiente a la banda prohibida de la monocapa WSe ₂ [27], el valor de la banda prohibida cambió a ~ 1,61 eV después del recocido durante 60 min. Aunque el aumento (~ 10 meV) de la banda prohibida óptica es leve, este fenómeno puede explicarse por la formación del WSe ₂ -WO ₃ heterouniones en el plano y el efecto de apantallamiento dieléctrico. Desde WO ₃ tiene una banda prohibida más grande de 2,75 eV en comparación con WSe ₂ (1,60 eV para una monocapa) [40], la banda prohibida óptica de la monocapa WSe ₂ las escamas aumentaron a través del recocido en el ambiente. Además, la formación de WO ₃ en WSe ₂ puede generar un efecto de cribado dieléctrico más fuerte debido a la constante dieléctrica más grande de WO ₃ (~ 90) en comparación con el de WSe ₂ (~ 22) [41, 42]. En consecuencia, el efecto de cribado dieléctrico más fuerte conduce a la disminución de la energía de enlace del excitón y aumenta ligeramente la banda prohibida óptica durante el recocido térmico [43].

Curiosamente, en perspectiva de la intensidad de PL, obviamente disminuyó a medida que aumentaba el tiempo de recocido, como se muestra en la Fig. 6d. El comportamiento de extinción de PL de la monocapa WSe ₂ se puede observar fácilmente en las imágenes de mapeo de PL que integran la intensidad de PL en la región de pico, como un aumento del tiempo de recocido (recuadro de la Fig. 6d). Se observó un fenómeno similar en el MoS ₂ tratados con plasma de oxígeno [44]. Estos resultados se pueden explicar de la siguiente manera. Desde WO ₃ tiene una banda prohibida indirecta [40], la estructura de banda de WSe ₂ se puede cambiar parcialmente a eso con una banda prohibida indirecta, lo que conduce a una intensidad de PL reducida. Además, la discrepancia de celosía entre WSe ₂ y WO ₃ Las estructuras proporcionan trampas y sitios de recombinación en la banda prohibida de WSe ₂ que pueden afectar las características eléctricas y ópticas del WSe ₂ . Por ejemplo, el desorden, los defectos y las vacantes de azufre pueden producir trampas poco profundas o profundas en el MoS ₂ capas, dando lugar al proceso de recombinación [31, 45]. Por lo tanto, a medida que aumentaba el tiempo de recocido, el desorden y los defectos que se originaban en el desajuste de la red del WSe ₂ -WO ₃ La estructura conduce a una recombinación no radiativa (Shockley-Read-Hall) [45] ya una intensidad de PL reducida. En conjunto, los resultados experimentales de las espectroscopias XPS, Raman y PL demuestran la formación de WO ₃ en el WSe ₂ superficie por el recocido en el ambiente, y estos concuerdan bien con investigaciones recientes sobre la oxidación de materiales 2D [20, 46]. Además, a partir del análisis de espectroscopía PL, se confirmó que los sitios de recombinación no radiativa inducidos por WO ₃ La capa podría contribuir a mejorar las características de cambio de fotos al promover los procesos de recombinación.