Uniones ReSe₂-Au Muestran Fuerte Rectificación en Rango 273-340 K

Resumen

El efecto Schottky de materiales bidimensionales es importante para la nanoelectrónica. Una lámina de ReSe₂ se transfiere para quedar suspendida entre un sumidero Au y una nanolámina Au. Este dispositivo se diseñó inicialmente para medir las propiedades de transporte de la lámina ReSe₂. Sin embargo, se observa un comportamiento de rectificación en el experimento de 273 a 340 K. El coeficiente de rectificación es aproximadamente 10. La microestructura y composición elemental se analizan sistemáticamente. Se encuentra que la lámina ReSe₂ y la lámina Au están en contacto con el sustrato Si desde la imagen de microscopio electrónico de barrido en vista inclinada de 45°. Los contactos ReSe₂/Si y Si/Au son heterounión p-n y contactos Schottky. La asimetría de ambos contactos resulta en el comportamiento de rectificación. La predicción basada en la teoría de emisión termiónica concuerda bien con los datos experimentales.

Introducción

Los comportamientos de rectificación de contactos metal-semiconductor, donde la corriente varía con la dirección del voltaje aplicado, se usan ampliamente en diodos de barrera Schottky, transistores de efecto de campo (FET) y FET metal-óxido-semiconductor. Schottky explicó el comportamiento por capas de agotamiento en el lado semiconductor de tales interfaces. Diferencias de función de trabajo electrónica entre metal y semiconductor conducen al comportamiento de rectificación llamado efecto Schottky. El contacto entre metal y materiales semiconductores bidimensionales (2D) es un contacto Schottky cuando el metal tiene una función de trabajo electrónica mayor que un semiconductor 2D tipo n o menor que un semiconductor 2D tipo p. El efecto Schottky de metal/materiales 2D tiene grandes aplicaciones en micro-fotodetectores, micro-FETs, sensores de gas y fototransistores. Entre materiales 2D, los calcogenuros de metales de transición (TMD) han atraído mucha atención porque tienen una banda prohibida considerable y la banda prohibida transita de indirecta a directa al reducirse el espesor a monocapa. La banda prohibida asegura que los TMD pueden usarse para muchas aplicaciones, p.ej., FETs y celdas solares. Los TMD también pueden usarse en campo termoeléctrico, lo que ha atraído amplia atención. Muchos experimentos se han hecho para explorar propiedades y aplicaciones de TMD como MoS₂, MoSe₂, WSe₂ y WS₂. López-Sánchez et al. fabricaron fototransistores de monocapa ultrasensibles con MoS₂. Britnell et al. fabricaron una heterestructura WS₂/grafeno y demostraron su aplicación en dispositivo fotovoltaico. WSe₂, como semiconductor ambipolar, se controló con puertas electrostáticas dobles para fabricar un diodo emisor de luz. Entre TMD, ReSe₂ es diferente de otros TMD grupo VI porque ReSe₂ pertenece a TMD grupo VII con un electrón extra en orbitales d, lo que conduce a fuerte anisotropía en el plano. Pocos estudios han explorado las propiedades eléctricas de ReSe₂ debido a su especial estructura de bandas. La rectificación de corriente se explora con heterounión p-n ReSe₂/WS₂ y heterounión p-n ReSe₂/MoS₂. FET se fabrica para investigar propiedades eléctricas de contactos metal/semiconductor como ReSe₂/metal o ReS₂/metal.

En esta carta, una lámina ReSe₂ se suspende a través de un sumidero Au y un electrodo nanocinta Au. El dispositivo se diseñó originalmente para medir las conductividades térmica y eléctrica de la lámina ReSe₂. Las mediciones se realizaron a 340 K, 310 K, 280 K y 273 K.

Métodos

Primero, se fabricó el sustrato Si con electrodos Au. El sustrato Si no dopado de 400 μm de espesor se oxidó para formar una capa SiO₂ de 180 nm tras limpieza inicial, y se depositó una resist de haz de electrones de 320 nm de espesor en la superficie SiO₂ mediante centrifugado. Au se depositó por deposición física de vapor para fabricar los nano-electrodos Au y la nanolámina Au en el patrón preparado por litografía de haz de electrones. Al poner la muestra en el revelador de fotorresist, la resist de haz de electrones se grabó y quedaron el electrodo Au y la lámina. Finalmente, la capa SiO₂ se grabó con ácido fluorhídrico tamponado y la capa Si bajo la nanolámina Au se grabó con plasma CF₄ para fabricar una nanolámina suspendida que está aproximadamente 6 μm sobre el sustrato Si.

Láminas ReSe₂ se sintetizaron por transición químico-vapor en sustrato de cobre. Una lámina ReSe₂ se transfirió a los electrodos Au para fabricar contactos Au-ReSe₂-Au usando el método de transferencia por humectación, en el cual la nanocinta ReSe₂ con el sustrato de cobre se recubrió con polimetilmetacrilato (PMMA) y flotó sobre la solución de grabado para grabar el sustrato de cobre. Tras desprender el sustrato de cobre, la lámina ReSe₂ recubierta de PMMA se movió con precisión sobre el sustrato Si con nano-electrodos Au mediante plataforma de transferencia de punto fijo. Luego, el PMMA se cortó con láser y la lámina ReSe₂ recubierta de PMMA aterrizó suspendida entre la nanolámina Au y el nano-electrodo Au. Finalmente, el PMMA se removió sumergiendo la muestra en baño de solución de hidróxido de potasio por 3 h. La imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) de las uniones Au electrodo-ReSe₂ lámina-Au nanocinta (Au-ReSe₂-Au) fabricadas en vista vertical al sustrato se muestra en Fig. 1a. La lámina ReSe₂ estaba en contacto con una nanocinta Au en sección B y en contacto con electrodo Au en sección C. La Figura 1b muestra el diagrama esquemático del dispositivo.

a Imagen SEM del dispositivo en vista vertical al sustrato y dirección de corriente positiva y b diagrama esquemático del dispositivo de medición

La dirección a lo largo de A-B-C se define como positiva, o viceversa, y se aplicó una corriente continua. El voltaje V a través de las uniones Au-ReSe₂-Au se midió con un multímetro digital de alta precisión (Keithley 2002, 8.5 dígitos), mientras la corriente I se determinó midiendo el voltaje a través de una resistencia de referencia en serie. Las curvas I-V de las uniones ReSe₂/Au para voltaje directo e inverso se midieron a diferentes temperaturas en un sistema de medición de propiedades físicas (quantum design).

Resultados y Discusión

La Figura 2 muestra las curvas I-V medidas a 273 K, 280 K, 310 K y 340 K. Se observan asimetrías significativas en las curvas I-V a todas las temperaturas medidas, indicando comportamiento rectificador inusual. Corrientes a 277 mV y -277 mV se usan para calcular la relación de rectificación de corriente a cada temperatura, y la relación rectificadora es aproximadamente 10. La corriente aumenta con la temperatura para un voltaje dado.

Características corriente-voltaje de uniones Au-ReSe2-Au a 273 K, 280 K, 310 K y 340 K

Para explorar el mecanismo responsable de la rectificación inusual, la microestructura de la lámina ReSe₂ se detectó por microscopio de fuerza atómica [(AFM), Cypher, Oxford Instruments] y espectrómetro Raman (Jovin Yvon T64000, longitud de onda excitación 532 nm). La imagen AFM de la lámina ReSe₂ se muestra en Fig. 3a-c, y el espesor promedio determinado es 28 nm basado en el perfil transversal de altura a lo largo de la línea blanca. El espectro Raman consistente en hasta 13 líneas esperadas con alta intensidad de señal se muestra en Fig. 3d, correspondiendo bien con el espectro detectado por Wolverson et al. y revelando la estructura cristalina triclínica de la lámina ReSe₂ presente.

a, b y c imagen AFM y espesor de ReSe2, y d espectro Raman y estructura cristalina de ReSe2

La Figura 4 es la imagen SEM de la lámina ReSe₂ en vista inclinada de 45° mostrando que la lámina ReSe₂ y la nanolámina Au están en contacto con el sustrato Si. El contacto ReSe₂-Au se ha mostrado contacto óhmico en estudio previo lo cual no es responsable del comportamiento de rectificación en este experimento. El circuito está constituido por las uniones Au-ReSe₂-Au y Au-ReSe₂-Si-Au. La Figura 5 muestra el esquema del circuito. El contacto Si-Au se ha mostrado contacto Schottky.

Imagen SEM de la lámina ReSe₂ y la nanolámina Au en vista inclinada de 45°

Esquema del circuito

La Figura 6 muestra los datos de espectroscopía dispersiva de energía (EDS). El espectro de suma de mapa de ReSe₂ se adquiere en sección 1 y 2. La fórmula química promedio es ReSe_1.67 que tiene una proporción mayor de Re que ReSe₂ y da a la lámina ReSe₂ propiedades de semiconductor tipo p. Por tanto, el contacto ReSe₂-Si es una heterounión p-n y exhibe comportamiento de rectificación. La asimetría de ambos contactos rectificadores resulta en el comportamiento de rectificación.

Datos EDS de ReSe₂ en la esquina superior derecha de la imagen. Cuadros 1 y 2 representan dos secciones medidas

La corriente puede determinarse por la siguiente ecuación tanto en el contacto Schottky como en la heterounión 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)

donde I₀ es la corriente de saturación, q la carga electrónica, k la constante de Boltzmann, V el voltaje aplicado a través de la unión, A el área de contacto, A^* la constante efectiva de Richardson, Φ_B la altura de barrera aparente, y T la temperatura de medición. El factor de idealidad dependiente de temperatura n representa el nivel en que el contacto se desvía de un contacto Schottky ideal.

Se realiza un cálculo basado en Ec. (1) para examinar el análisis del comportamiento de rectificación. Corrientes del contacto ReSe₂-Si, I₁, y del contacto Si-Au, I₂, se expresan por:

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

La Figura 7 muestra que los resultados numéricos concuerdan bien con datos experimentales. Los parámetros numéricos se muestran en Tabla 1. La corriente de saturación inversa del contacto ReSe₂-Si es mayor que la del contacto Si-Au porque el área de contacto del contacto ReSe₂-Si es mucho mayor como se muestra en Fig. 4. La corriente de saturación inversa de ambos contactos aumenta con la temperatura, indicando que las conductividades eléctricas de ambos contactos exhiben comportamiento de rectificación como se muestra en Ec. (2).

Comparación de curvas I-V de resultados experimentales y calculados

El factor de idealidad del contacto ReSe₂-Si es mayor que el del contacto Si-Au debido a diferentes condiciones de contacto y estructuras cristalinas. La Figura 4 muestra que la superficie del sustrato Si es rugosa debido a la solución de grabado, lo que hace el contacto ReSe₂-Si inhomogéneo. El contacto inhomogéneo conduce al gran factor de idealidad. La superficie rugosa también produce un gran número de estados de atrapamiento que resultan en un gran factor de idealidad. Además, diferentes tipos de contacto hacen diferentes factores de idealidad. El contacto ReSe₂-Si es la heterounión p-n, y ReSe₂ y Si tienen diferentes estructuras cristalinas, triclínica para ReSe₂ y cúbica centrada en caras para Si. El desajuste de red siempre conduce a dislocación de borde y produce alta densidad de estados de trampa, haciendo que el contacto ReSe₂-Si se desvíe del contacto ideal y tenga un gran factor de idealidad. El Si-Au es el contacto metal-semiconductor, y la estructura cristalina de Si tiene pocos efectos en el factor de idealidad. Los factores de idealidad de ambos contactos cambian poco con la temperatura. Esto puede explicarse por Ec. (5) como reportaron Khurelbaatar et al.,

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

La ecuación (5) muestra que el factor de idealidad es inversamente proporcional a la temperatura. El factor de idealidad disminuye significativamente con la temperatura solo a baja temperatura y cambia lentamente cuando la temperatura supera 300 K. Sin embargo, como se muestra en Tabla 1, la corriente de saturación inversa aumenta significativamente con la temperatura, lo cual es diferente del factor de idealidad. Puede explicarse por Ec. (2). Según Ec. (2), la corriente de saturación inversa aumenta con la temperatura porque T² y exp(-qΦ_B/kT) aumentan con la temperatura. Debido a la relación exponencial entre exp(-qΦ_B/kT) y -qΦ_B/kT, exp(-qΦ_B/kT) aumenta significativamente con la temperatura. Basado en la investigación de Zhu et al., qΦ_B del contacto Au/Si en el experimento a 273 K y 295 K son 0.77 eV y 0.79 eV, respectivamente. Los resultados calculados muestran que la corriente de saturación inversa a 295 K es seis veces la corriente de saturación inversa a 273 K, explicando por qué la corriente de saturación inversa aumenta significativamente con la temperatura.

Conclusiones

En conclusión, se observa un comportamiento de rectificación en los contactos donde una lámina ReSe₂ suspendida a través de sustrato Au y nanolámina Au a diferentes temperaturas. La imagen SEM de la lámina ReSe₂ suspendida en vista inclinada de 45° muestra que la lámina ReSe₂ y la nanolámina Au están en contacto con el sustrato Si y el mapa EDS ilustró la composición elemental, ReSe_1.67. El contacto entre la lámina ReSe₂ y el sustrato Si es responsable del comportamiento de rectificación. Los contactos ReSe₂-Si y Si-Au son ambos contactos de rectificación formando otro circuito, y la asimetría de ambos contactos resulta en el comportamiento de rectificación aparente. Los resultados calculados basados en la ecuación de corriente Schottky considerando el contacto Schottky Si-Au y la heterounión p-n ReSe₂-Si concuerdan bien con resultados experimentales.

Abreviaturas

2D:

Bidimensional

AFM:

Microscopio de fuerza atómica

EDS:

Espectroscopía dispersiva de energía

FET:

Transistor de efecto de campo

PMMA:

Polimetilmetacrilato

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

TMD:

Calcogenuros de metales de transición