Conversión de transistor MoTe2 multicapa entre tipo P y tipo N y su uso en el inversor

MoTe ₂ de varias capas transistor y sus propiedades. un Ilustración de MoTe ₂ diagrama de transistores. b Imagen óptica de uno de los transistores fabricados compuesto por MoTe ₂ multicapa canal y electrodos SD Cr / Au. c Imagen AFM del canal de transistores en b . d Perfil de altura del MoTe de varias capas ₂ . e Espectro Raman del MoTe ₂ multicapa en el canal de transistores

El MoTe ₂ fabricado con puerta trasera de múltiples capas Los transistores se miden con un analizador de semiconductores Agilent B1500A en la estación de sonda Lakeshore, que se puede bombear a una presión base de 1 × 10 ⁻⁵ mbar y realizar un ajuste de temperatura de 9 ~ 350 K. La Figura 2 muestra las propiedades eléctricas de un MoTe ₂ de varias capas transistor en aire a temperatura ambiente (RT). Las características de transferencia a voltaje fuente-drenaje V _sd =1 V en la Fig. 2a muestra que el transistor está en estado activado con voltaje de activación negativo y en estado desactivado con voltaje de activación positivo. El voltaje de transformación del estado activado al estado desactivado es casi cero, que es una característica típica del transistor tipo p. Las mediciones repetidas muestran las mismas características de activación eléctrica (consulte el archivo adicional 1:Figura S1). Otros cuatro MoTe ₂ de varias capas Los transistores también demuestran características similares de compuerta eléctrica tipo p, como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S2. También preparamos otros dispositivos con espesores de 5 nm, 38 nm y 85 nm como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S3. Cuando el MoTe ₂ Los espesores son de 5 nm y 38 nm, ambos dispositivos preparados muestran conductancia tipo p pero con poca corriente en comparación con el dispositivo de la Fig. 2 y el archivo adicional 1:Figura S2. A medida que el grosor aumenta a 85 nm, el efecto de puerta desaparece, como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S3 (l). Estos datos muestran que la conductancia de tipo p es universal en el aire para MoTe ₂ multicapa transistor. A partir de las características de transferencia en la Fig. 2a, podemos obtener la relación de encendido-apagado, oscilación de subumbral (SS) y movilidad de efecto de campo (μ), que son 6 × 10 ³ , 350 mV / dec y 8 cm ² / V · s, respectivamente.

Propiedades eléctricas de MoTe ₂ multicapa transistor en aire a RT. un Características de transferencia de MoTe ₂ transistor en V _sd =1 V en aire. b Características de salida de MoTe ₂ transistor en V _bg =- 20 V, - 15 V, - 10 V, - 5 V, 0 V y 5 V. c Características de transferencia de MoTe ₂ transistor a diferentes V _sd . d Relación de corriente de encendido, apagado y encendido-apagado en función de V _sd

La Figura 2b muestra las características de salida de MoTe ₂ multicapa transistor a voltaje de puerta trasera V _bg =- 20 V, - 15 V, - 10 V, - 5 V, 0 V y 5 V. Como se ve, la respuesta es esencialmente lineal, especialmente a un voltaje de polarización bajo de V _sd , lo que indica que hay una altura de barrera de Schottky efectiva insignificante ( Φ _SB ) entre Au y MoTe ₂ en aire. Las características de transferencia a diferentes voltajes polarizados fuente-drenaje, como se muestra en la Fig. 2c, indican que la corriente activa aumenta linealmente con el voltaje polarizado V _sd , mostrado en la Fig. 2d, que coincide con las características de salida. Mientras tanto, la corriente fuera de corriente aumenta y la relación de encendido y apagado disminuye a medida que V _sd aumenta. Esto se puede atribuir al estado de la trampa en MoTe ₂ canal de absorbe y estado de interfaz. La histéresis en las características de transferencia (ver archivo adicional 1:Figura S4) confirma aún más la existencia del estado de trampa en MoTe ₂ transistor [42, 43, 44, 45].

Investigamos más a fondo la conductancia de tipo p de MoTe ₂ multicapa transistor a diferentes vacíos. Esto es útil para comprender la influencia del oxígeno y el agua absorbidos en las propiedades de transporte de carga. La figura 3a muestra las características de transferencia en V _sd =1 V en función del vacío ("atm" corresponde a la atmósfera). Las principales tendencias de cambio están claramente indicadas por flechas rojas, que es similar a la que se muestra en el transistor de nanotubos de carbono [44]. Primero, la corriente de encendido disminuye a medida que aumenta el vacío, lo que se debe en parte al cambio de voltaje de umbral causado por las absorciones, pero principalmente debido al aumento de la resistencia del dispositivo a medida que las absorciones disminuyen, incluida la resistencia de canal y de contacto. Las características de salida no lineales como se muestra en la Fig. 3b indican la barrera de Schottky efectiva mejorada entre Au y MoTe ₂ en 2,9 × 10 ⁻⁵ mbar de vacío, lo que sugiere que la altura efectiva de la barrera de Schottky se modifica por la absorción en el aire. En segundo lugar, la corriente de salida en la compuerta de voltaje positivo aumenta con el vacío, lo que significa que la conductancia de los electrones aumenta a medida que las absorciones disminuyen y sugiere que la conductancia de tipo n se suprime en el MoTe ₂ multicapa el transistor se absorbe en el aire.

Propiedades eléctricas de tipo P del MoTe ₂ multicapa transistor al vacío. un Características de transferencia de RT de un MoTe de tipo p ₂ transistor en V _sd =1 V en función del vacío. b Características de salida RT de un MoTe de tipo p ₂ transistor a diferentes V _bg en 2,9 × 10 ⁻⁵ vacío mbar

Aunque la corriente activa disminuye y la corriente inactiva aumenta después de eliminar las absorciones parciales en el vacío, el MoTe ₂ multicapa El transistor todavía exhibe conductancia tipo p. Además, la conductancia de tipo p se mantiene a baja temperatura como se muestra en la Fig. 4a. Esta propiedad eléctrica dependiente de la temperatura nos ayuda a dilucidar aún más el mecanismo de transporte de carga y extraer la altura efectiva de la barrera de Schottky del MoTe tipo p ₂ transistor. La figura 4a muestra las características de transferencia a voltaje polarizado V _sd =1 V cuando la temperatura varía de 20 a 275 K. Tanto en la corriente como en la corriente disminuyen a medida que desciende la temperatura, y la relación de encendido y apagado aumenta a bajas temperaturas, como se muestra en la figura 4b. Gráfico de Arrhenius de la corriente fuente-drenaje I _sd a voltaje de puerta trasera V _sd =- 20 V y 20 V en la Fig. 4c indica la emisión térmica y la contribución del túnel para el transporte de carga [46]. Cuando la temperatura es superior a 100 K, se observa una clara región de emisión térmica en voltajes de activación tanto negativos como positivos, y la corriente de túnel domina cuando la temperatura es inferior a 100 K. . Basado en la observación de la corriente de emisión térmica y la relación de \ ({I} _ {\ mathrm {sd}} \ sim {e} ^ {- {q \ varPhi} _ {SB} / kT \ operatorname {}} \) , donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura, extraemos la altura de barrera de Schottky efectiva Φ _SB en función del voltaje de la puerta en V _sd =1 V, como se muestra en la Fig. 4d. Las alturas efectivas de la barrera de Schottky Φ _SB tanto en estado encendido como apagado son inferiores a 120 mV.

Propiedades eléctricas dependientes de la temperatura de un MoTe de múltiples capas de tipo p ₂ transistor. un Características de transferencia de MoTe ₂ transistor en V _sd =1 V en función de la temperatura. b Relación de corriente on-current, off-current y on-off en función de la temperatura. c Gráfico de Arrhenius de la corriente fuente-drenaje en función de la temperatura en V _sd =1 V y V _bg =- 20 V y 20 V, respectivamente. d Mapas de alturas efectivas de barreras de Schottky Φ _SB en función del voltaje de la puerta trasera

El vacío y las bajas temperaturas dificultan la desorción completa de los absorbentes. Los absorbentes residuales aún funcionan y alteran la conductancia del MoTe ₂ multicapa transistor. Para desorber aún más los absorbentes en MoTe ₂ transistor, calentamos el dispositivo a 350 K en vacío y realizamos mediciones de propiedades eléctricas in situ. La Figura 5a muestra las características de transferencia de MoTe ₂ transistor a medida que se calienta de 250 a 350 K. Como se ve, la conductancia de electrones a voltaje de puerta positivo aumenta, mientras que la conductancia de huecos a voltaje de puerta negativo se reduce a medida que aumenta la temperatura. A temperatura T =250 K, el dispositivo muestra una conductancia típica de tipo p. Pero cuando la temperatura aumenta a T =350 K, el dispositivo se convierte a tipo n, que está en estado desactivado con voltaje de puerta negativo y en estado activado con voltaje de puerta positivo. Su relación de encendido-apagado, oscilación subumbral (SS) y movilidad de efecto de campo (μ) son 3.8 × 10 ² , 1,1 V / dec y 2 cm ² / V · s, respectivamente.

Las características de transferencia de MoTe ₂ multicapa transistor en función de la temperatura en el vacío

La conductancia de tipo n de un MoTe ₂ el transistor es estable en el vacío. El dispositivo se mantiene en la estación de la sonda en 2 × 10 ⁻⁵ Vacío mbar a TA durante 12 h después de calentar. Luego, se realizan las mediciones de propiedades eléctricas. Como se muestra en la Fig. 6a, las características de transferencia todavía están en estado desactivado con voltaje de puerta negativo y en estado activado con voltaje de puerta positivo, lo que demuestra las propiedades típicas de los transistores de tipo n. Se realizan transformaciones similares en las otras dos muestras, como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S5 (a) y (b). Además, recocemos dos muestras a 523 K utilizando un sistema de deposición de vapor químico a alta temperatura durante 2 h en gas Ar a 3 mbar de vacío. Ambos cambian de tipo p a tipo n, como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S5 (c) y (d). La Figura 6b muestra las características de salida de un MoTe ₂ de tipo n transistor a diferentes voltajes de puerta trasera, que es claramente no lineal, especialmente a bajo voltaje polarizado V _sd , diferente a la de la Fig. 3b, lo que indica la existencia de una altura de barrera de Schottky efectiva mejorada entre MoTe ₂ y electrodo de Au después de ser calentado para eliminar absorbe. La Figura 6c muestra las características de transferencia dependientes de la temperatura de MoTe ₂ multicapa de tipo n transistor. Como se ve, cuando la temperatura disminuye de 275 a 25 K, tanto la corriente activada como la corriente inactiva disminuyen como se muestra en la Fig. 6c, d. Gráfico de Arrhenius de la corriente fuente-drenaje I _sd en la Fig. 6e muestra que la emisión térmica y la corriente de túnel siguen siendo el principal mecanismo de transporte de carga en MoTe ₂ multicapa de tipo n transistor. La altura de barrera de Schottky efectiva así obtenida es menor de 250 meV. Considerando la función de trabajo de Au (5.2 eV) y MoTe ₂ (4,1 eV), la altura efectiva de la barrera de Schottky para los electrones es tan alta como 1,1 eV en condiciones ideales. La diferencia puede deberse al efecto de fijación de nivel de Fermi en materiales 2D [47].

MoTe ₂ de múltiples capas tipo N propiedades del transistor en el vacío. un Características de transferencia RT de MoTe ₂ transistor en V _sd =1 V. b Características de salida RT de MoTe ₂ transistor a diferente voltaje de puerta trasera. c Características de transferencia de MoTe ₂ transistor en función de la temperatura. d Relación de corriente de encendido, apagado y encendido-apagado de MoTe ₂ transistor en función de la temperatura. e Parcela de Arrhenius del I _sd en V _sd =1 V y V _bg =- 20 V y 20 V, respectivamente. f Mapas de alturas efectivas de barreras de Schottky Φ _SB en función de V _bg

También encontramos que el MoTe de múltiples capas de tipo n ₂ El transistor vuelve al tipo p cuando se expone al aire (consulte el archivo adicional 1:Figura S6). Con base en los datos del experimento anterior, inferimos que la conductancia de tipo n es una propiedad intrínseca para MoTe ₂ multicapa transistor. La conductancia de tipo N se puede atribuir a la vacancia en MoTe ₂ canal. Se confirma mediante el cálculo de DFT como se muestra en la Fig. 7. La Figura 7a muestra la ilustración del diagrama de Te vacante en monocapa (ML) MoTe ₂ , y la Fig. 7b muestra la correspondiente densidad de estados (DOS). Comparado con el DOS de MoTe ₂ con una estructura cristalina perfecta, la vacante induce un estado de defecto cerca del borde de la banda de conducción. Por lo tanto, MoTe ₂ transistor con Te vacancia demuestra conductancia tipo n.

La vacante en MoTe ₂ . un 4 × 4 ML MoTe ₂ supercélulas en fase ideal y con Te vacante. El lugar vacante está marcado en amarillo. b Densidad parcial de estados (PDOS) del sitio Mo adyacente a la vacante Te y el sitio Te más cercano a una vacante Te en ML MoTe ₂ (rojo sólido), en comparación con el PDOS en un ML ideal (punteado negro)

Cuando el dispositivo se expone al aire, el oxígeno y el agua del aire se absorben en el dispositivo. Se ha verificado que las absorciones de oxígeno y agua pueden inducir el dopaje de tipo p en un transistor orgánico y en un transistor de material de capa relacionado con el grafeno [44, 48, 49]. Funciona mediante un par redox oxígeno / agua, en el que el oxígeno resuelto en el agua establece las condiciones para la reacción redox. Este proceso inducirá la transferencia de carga entre el par redox oxígeno / agua y MoTe ₂ . La dirección de transferencia de carga depende de la diferencia de función de trabajo (o potencial químico). La función de trabajo de MoTe ₂ es de 4,1 eV, mientras que el del par redox oxígeno / agua es superior a 4,83 eV [48]. La Figura 8 ilustra el diagrama de energía del par redox agua / oxígeno y MoTe ₂ . Debido a la diferencia de nivel de energía, los electrones se inyectan desde MoTe ₂ a la pareja redox oxígeno / agua, lo que resulta en el dopado del agujero de MoTe ₂ en el aire.

Diagrama de energía del par redox agua / oxígeno (izquierda) y MoTe ₂ (derecho); la flecha roja indica la dirección de transferencia de electrones

Usando el tipo p y tipo n MoTe ₂ transistores, exploramos la construcción de un inversor complementario como se ilustra en la Fig. 9a. Una tensión de alimentación de V _DD se aplica a la fuente (o drenaje) de los transistores de tipo p, mientras que la fuente (o drenaje) del transistor de tipo n está conectada a tierra. El inversor se mide en 8 × 10 ⁻⁵ mbar de vacío en la estación de sonda. La Figura 9b, c muestra las características de transferencia de los transistores de tipo py de tipo n desde el inversor, respectivamente. La Figura 9d muestra las curvas de características de transferencia de voltaje (VTC) del inversor cuando V _DD varía en el rango de 1 a 5 V. El voltaje de transición se encuentra muy cerca de V _DD / 2, que se puede atribuir a la simetría entre MoTe ₂ de tipo n y p transistores. La Figura 9e muestra las curvas VTC (líneas negras) y sus espejos (líneas rojas) en V _DD =5 V. El área sombreada del "ojo" representa el margen de ruido del inversor. Como se ve, el margen de ruido de bajo nivel (NM _L ) y margen de ruido de alto nivel (NM _H ) son 1,54 V y 1,77 V, respectivamente, en V _DD =5 V. La figura 9f muestra V _EN -ganancias de voltaje dependientes del inversor en V _DD =2 V, 3 V, 4 V y 5 V que aumenta con V _DD y llega a 9 en V _DD =5 V.

Propiedades complementarias del inversor basadas en MoTe ₂ multicapa de tipo p y tipo n transistor en 8 × 10 ⁻⁵ vacío mbar. un Diagrama del inversor compuesto por MoTe ₂ tipo py tipo n transistores. Características de transferencia de tipo p ( b ) y tipo n ( c ) MoTe ₂ transistor del inversor. d Curvas VTC del inversor para V _DD valores que varían de 1 a 5 V. e Curvas VTC (líneas negras) y sus espejos (líneas rojas) en V _DD =5 V. f V _EN -ganancias de voltaje dependientes del inversor en V _DD =2 V, 3 V, 4 V y 5 V

Conclusiones

En resumen, hemos fabricado un MoTe ₂ multicapa tipo p transistor transfiriendo MoTe ₂ en el electrodo de drenaje de fuente fabricado en el aire. Las mediciones de transporte de carga in situ dependientes del vacío y la temperatura demuestran que la conductancia de tipo p habitual del MoTe ₂ multicapa transistor no es sus propiedades intrínsecas, que es causado por el dopaje del par redox oxígeno / agua en el aire. Cuando el MoTe ₂ El transistor se calienta al vacío para eliminar las absorciones, presenta una conductancia de tipo n, que se atribuye a las vacantes de telurio en MoTe ₂ y es su propiedad de transporte intrínseca. MoTe ₂ tanto de tipo p como de tipo n Los transistores muestran una altura de barrera de Schottky efectiva más pequeña, lo que se debe en parte a la modificación por absorba. La barrera de Schottky efectiva bajada es beneficiosa para lograr un MoTe ₂ de alto rendimiento transistor. Basándonos en estos hallazgos, fabricamos un inversor complementario con valores de ganancia de hasta 9.

Métodos / Experimental

Para investigar la influencia de los adsorbatos en las propiedades de transporte de carga de MoTe ₂ multicapa transistor, elegimos MoTe ₂ multicapa con puerta trasera transistores y todo el MoTe ₂ La muestra está expuesta al entorno. MoTe ₂ de múltiples capas con puerta trasera los transistores se fabrican de la siguiente manera. Primero, los electrodos de fuente, drenaje y compuerta se modelan en SiO ₂ de 300 nm / p ⁺ -Si sustrato utilizando técnicas estándar de fotolitografía UV, seguido de grabado selectivo de 300 nm SiO ₂ debajo del electrodo de puerta y evaporación por haz E de una película de Cr / Au de 5 nm / 100 nm. Segundo, MoTe ₂ de varias capas las muestras se preparan en otros SiO ₂ de 300 nm / p ⁺ -Si por exfoliación mecánica de 2H-MoTe ₂ semiconductores de tamaño milimétrico monocristales, que se cultivan mediante transporte de vapor químico utilizando TeCl ₄ como agente de transporte en un gradiente de temperatura de 750 a 700 ° C durante 3 días. Finalmente, el MoTe de múltiples capas preparado ₂ las muestras se transfieren a un electrodo de drenaje de fuente con patrón utilizando alcohol polivinílico (PVA) como medio [50]. PVA se disuelve en H ₂ O y se enjuaga con alcohol isopropílico (IPA). El recocido del dispositivo se lleva a cabo en una configuración de deposición de vapor químico con bomba seca. MoTe ₂ de varias capas las muestras se identifican mediante un microscopio óptico y el espesor correspondiente se caracteriza mediante microscopía de fuerza atómica (AFM) SPA-300HV. Las señales Raman se recogen mediante un espectrómetro LabRAM HR Raman con excitación láser de longitud de onda de 514 nm en la configuración de retrodispersión usando un objetivo de x100. La potencia del láser medida desde el objetivo es de 2,2 mW. La caracterización eléctrica se realiza utilizando una combinación de analizador de semiconductores Agilent B1500A con la estación de sonda Lakeshore.

Los cálculos de DFT se realizan con el pseudopotencial de onda aumentada del proyector (PAW) y el conjunto de base de onda plana con una energía de corte de 400 eV implementado en el paquete de simulación ab initio de Viena (VASP) [51]. Se elige un espacio de vacío por encima de 15 Å para eliminar la interacción espuria entre imágenes periódicas. Suficiente k Se utilizan muestras de puntos de 12 × 12 × 1 y 24 × 24 × 1 para la relajación de la estructura y los cálculos electrónicos, respectivamente. Se adopta la aproximación de gradiente generalizada (GGA) con funcional de Perew-Burke-Ernzerhof (PBE) [52].

Abreviaturas

2D:

Bidimensional

2H-MoTe ₂ :

Ditelurida de molibdeno tipo 2H

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

DFT:

Teoría funcional de la densidad

DOS:

Densidad de estados

FET:

Transistor de efecto de campo

GGA:

Aproximación de gradiente generalizada

IPA:

Alcohol isopropílico

I sd:

Corriente de fuente-drenaje

LED:

Diodo emisor de luz

NM _H :

Margen de ruido de alto nivel

NM _L :

Margen de ruido de bajo nivel

PAW:

Onda aumentada por proyector

PBE:

Perew-Burke-Ernzerhof

PVA:

Alcohol polivinílico

SD:

Fuente-drenaje

SS:

Oscilación del subumbral

TMD:

Dicalcogenuros de metales de transición

VASP:

Paquete de simulación Viena ab initio

V _bg :

Voltaje de puerta trasera

V sd:

Voltaje de fuente-drenaje

VTC:

Características de transferencia de voltaje

Φ _SB :

Altura de la barrera Schottky

Propiedades fotocatalíticas sensibles a la luz visible mejoradas de los compuestos de nanohojas Ag / BiPbO2Cl Una descripción general del diodo de barrera Schottky basado en semiconductores Ga2O3 ultraancho para aplicaciones de electrónica de potencia