Aktuelle Berichtigung in einer Struktur:ReSe2/Au-Kontakte auf beiden Seiten von ReSe2

Einführung

Das Gleichrichtungsverhalten von Metall-Halbleiter-Kontakten, bei denen der Strom mit der Richtung der angelegten Spannung variiert, wird häufig in Schottky-Dioden, Feldeffekttransistoren (FET) und Metall-Oxid-Halbleiter-FETs verwendet. Schottky erklärte das Verhalten durch Sperrschichten auf der Halbleiterseite solcher Grenzflächen [1]. Unterschiede der Elektronenaustrittsarbeit zwischen Metall und Halbleiter führen zu dem als Schottky-Effekt bezeichneten Gleichrichtungsverhalten [2]. Der Kontakt zwischen Metall und zweidimensionalen (2D) Halbleitermaterialien ist ein Schottky-Kontakt, wenn das Metall eine höhere Elektronenaustrittsarbeit als 2D-Halbleitermaterialien vom n-Typ oder eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit als ein 2D-Halbleiter vom p-Typ hat. Der Schottky-Effekt von Metall/2D-Materialien findet große Anwendung in Mikrofotodetektoren, Mikro-FETs, Gassensoren und Fototransistoren [3]. Unter den 2D-Materialien haben Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs) viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sie eine beträchtliche Bandlücke aufweisen [3] und die Bandlücke von indirekt zu direkt übergeht, wenn die Dicke auf eine Monoschicht reduziert wird [4]. Die Bandlücke stellt sicher, dass TMDs für viele Anwendungen verwendet werden können, z. B. FETs und Solarzellen [3]. TMDs können auch im thermoelektrischen Feld verwendet werden [5], was große Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat [6,7,8,9]. Es wurden viele Experimente durchgeführt, um die Eigenschaften und Anwendungen von TMDs wie MoS₂ . zu untersuchen , MoSe₂ , WSe₂ , und WS₂ . Lopez-Sanchez et al. [10] stellte hochempfindliche Monolayer-Phototransistoren mit MoS₂ . her . Britnell et al. [11] hat eine WS₂ gemacht /Graphen-Heterostruktur und demonstrierte ihre Anwendung in photovoltaischen Geräten. WSe₂ , als ambipolarer Halbleiter, wurde mit doppelten elektrostatischen Gates gesteuert, um eine Leuchtdiode herzustellen [12, 13]. Unter TMDs, ReSe₂ unterscheidet sich von anderen TMDs der Gruppe VI, da ReSe₂ gehört zu Gruppe VII TMDs mit einem zusätzlichen Elektron in d Orbitale, was zu einer starken Anisotropie in der Ebene führt [14]. Einige Studien haben die elektrischen Eigenschaften von ReSe₂ . untersucht aufgrund seiner speziellen Bandstruktur. Die aktuelle Gleichrichtung wird mit einem ReSe₂ . untersucht /WS₂ p-n-Heteroübergang [15] und ReSe₂ /MoS₂ p-n-Heteroübergang [16]. FET wurde entwickelt, um die elektrischen Eigenschaften von Metall-/Halbleiterkontakten wie ReSe₂ . zu untersuchen /metall oder ReS₂ /Metall [17,18,19].

In diesem Brief ein ReSe₂ Flocken werden über einer Au-Senke und einer Au-Nanoband-Elektrode aufgehängt. Das Gerät wurde ursprünglich entwickelt, um die thermische und elektrische Leitfähigkeit des ReSe₂ . zu messen Flocke. Die Messungen wurden bei 340 K, 310 K, 280 K und 273 K durchgeführt.

Methoden

Zunächst wurde das Si-Substrat mit Au-Elektroden hergestellt. Das 400 µm dicke undotierte Si-Substrat wurde oxidiert, um ein 180 nm dickes SiO₂ . zu bilden Schicht nach der anfänglichen Reinigung, und ein 320 nm dicker Elektronenstrahlresist wurde auf dem SiO₂ . abgeschieden Oberfläche mittels Spincoating. Au wurde durch physikalische Dampfabscheidung abgeschieden, um die Au-Nanoelektroden und den Au-Nanofilm in dem Muster herzustellen, das durch Elektronenstrahllithographie hergestellt wurde. Durch Einbringen der Probe in den Photoresistentwickler wurde der Elektronenstrahlresist geätzt und die Au-Elektrode und der Film verblieben. Endlich das SiO₂ Schicht wird mit gepufferter Flusssäure geätzt und die Si-Schicht unter dem Au-Nanofilm wird mit CF₄ . geätzt Plasma, um einen suspendierten Nanofilm herzustellen, der sich etwa 6 µm über dem Si-Substrat befindet.

ReSe₂ Flocken wurden durch chemischen Dampfübergang auf einem Kupfersubstrat synthetisiert. Ein ReSe₂ Flocken wurden auf die Au-Elektroden übertragen, um Au-ReSe₂ . herzustellen -Au-Kontakte mit der Benetzungstransfermethode, bei der das ReSe₂ Nanoband mit dem Kupfersubstrat wurde mit Polymethylmethacrylat (PMMA) beschichtet und auf die Ätzlösung geschwommen, um das Kupfersubstrat zu ätzen. Nachdem das Kupfersubstrat abgezogen wurde, wurde das PPMA-beschichtete ReSe₂ Flocke wurde mit Au-Nanoelektroden durch die Fixpunkt-Transferplattform genau über das Si-Substrat bewegt. Dann wurde das PMMA mit einem Laser geschnitten und das PMMA-beschichtete ReSe₂ Flocke landete, um zwischen dem Au-Nanofilm und der Au-Nanoelektrode suspendiert zu werden. Schließlich wurde das PMMA entfernt, indem die Probe 3 h lang in ein Kaliumhydroxidlösungsbad getaucht wurde. Das Rasterelektronenmikroskop (REM)-Bild der hergestellten Au-Elektrode-ReSe₂ Flocken-Au-Nanoband (Au-ReSe₂ -Au)-Übergänge in vertikaler Ansicht zum Substrat ist in Abb. 1a gezeigt. Die ReSe₂ Flocken waren in Abschnitt B in Kontakt mit einem Au-Nanoband und in Abschnitt C in Kontakt mit einer Au-Elektrode. Abbildung 1b zeigt das schematische Diagramm des Geräts.

a REM-Aufnahme des Geräts in vertikaler Ansicht zum Substrat und der positiven Stromrichtung und b schematische Darstellung des Messgeräts

Die Richtung entlang A-B-C ist als positiv definiert oder umgekehrt, und es wurde ein Gleichstrom angelegt. Die Spannung, V , über die Au-ReSe₂ -Au-Übergänge wurden mit einem hochgenauen Digitalmultimeter (Keitheley 2002, 8,5 Stellen) gemessen, während der Strom I , wurde durch Messung der Spannung an einem in Reihe geschalteten Referenzwiderstand bestimmt. Das Ich -V Kurven des ReSe₂ /Au-Übergänge für Vorwärts- und Rückwärtsspannung wurden bei verschiedenen Temperaturen in einem Messsystem für physikalische Eigenschaften (Quantendesign) gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2 zeigt das gemessene I -V Kurven bei 273 K, 280 K, 310 K und 340 K. Signifikante Asymmetrien im I -V Bei allen gemessenen Temperaturen werden Kurven beobachtet, die auf ein ungewöhnliches Richtverhalten hinweisen. Ströme bei 277 mV und – 277 mV werden verwendet, um das Stromgleichrichtungsverhältnis bei jeder Temperatur zu berechnen, und das Gleichrichtungsverhältnis beträgt ungefähr 10. Der Strom steigt mit der Temperatur für eine gegebene Spannung.

Strom-Spannungs-Kennlinien von Au-ReSe2-Au-Übergängen bei 273 K, 280 K, 310 K und 340 K

Um den für die ungewöhnliche Gleichrichtung verantwortlichen Mechanismus zu erforschen, wurde die Mikrostruktur des ReSe₂ Flocken wurden durch ein Rasterkraftmikroskop [(AFM), Cypher, Oxford Instruments] und ein Raman-Spektrometer (Jovin Yvon T64000, Anregungswellenlänge 532 nm) nachgewiesen. Das AFM-Bild des ReSe₂ Flocke ist in Abb. 3a–c gezeigt, und die bestimmte durchschnittliche Dicke beträgt 28  nm basierend auf dem Querschnittshöhenprofil entlang der weißen Linie. Das Raman-Spektrum, das aus bis zu 13 erwarteten Linien mit hoher Signalstärke besteht, ist in Abb. 3d dargestellt und entspricht gut dem von Wolverson et al. [4] und enthüllt die trikline Kristallstruktur des vorliegenden ReSe₂ Flocke.

a , b , und c AFM-Bild und Dicke von ReSe2 und d Raman-Spektrum und Kristallstruktur von ReSe2

Abbildung 4 ist das SEM-Bild des ReSe₂ . Flocke in schräger Ansicht von 45°, die zeigt, dass das ReSe₂ Flocke und der Au-Nanofilm stehen in Kontakt mit dem Si-Substrat. ReSe₂ -Au-Kontakt wurde in früheren Studien [20] als ohmscher Kontakt gezeigt, der in diesem Experiment nicht für das Gleichrichtungsverhalten verantwortlich ist. Die Schaltung besteht aus Au-ReSe₂ -Au und Au-ReSe₂ -Si-Au-Übergänge. Abbildung 5 zeigt den Schaltplan der Schaltung. Als Si-Au-Kontakt wurde der Schottky-Kontakt gezeigt [21].

REM-Aufnahme des ReSe₂ Flocke und der Au-Nanofilm in schräger Ansicht von 45°

Schema der Schaltung

Abbildung 6 zeigt die Daten der energiedispersiven Spektroskopie (EDS). Das Kartensummenspektrum von ReSe₂ wird in den Abschnitten 1 und 2 erworben. Die durchschnittliche chemische Formel ist ReSe_1,67 welches ein höheres Verhältnis von Re als ReSe hat₂ und gibt die ReSe₂ p-Typ-Halbleitereigenschaften. Daher ist die ReSe₂ -Si-Kontakt ist ein p-n-Heteroübergang und zeigt das Gleichrichtungsverhalten. Unsymmetrie beider Gleichrichtungskontakte führt zum Gleichrichtungsverhalten.

EDS-Daten von ReSe₂ befindet sich in der oberen rechten Ecke des Bildes. Kästchen 1 und 2 repräsentieren zwei gemessene Abschnitte

Der Strom kann sowohl im Schottky-Kontakt als auch im p-n-Heteroübergang durch die folgende Gleichung bestimmt werden [22, 23]:

wo ich ₀ ist der Sättigungsstrom, q ist die elektronische Ladung, k ist die Boltzmann-Konstante, V ist die an der Verbindungsstelle angelegte Spannung, A ist der Kontaktbereich, A ^* ist die effektive Richardson-Konstante, Ф _B die scheinbare Barrierehöhe ist und T ist die Messtemperatur. Der temperaturabhängige Idealitätsfaktor n stellt den Grad dar, um den der Kontakt von einem idealen Schottky-Kontakt abweicht.

Eine Berechnung basierend auf Gl. (1) erfolgt, um die Analyse auf das Nachbesserungsverhalten zu untersuchen. Strömungen des ReSe₂ -Si Kontakt, Ich ₁ , und der Si-Au-Kontakt, I ₂ , werden ausgedrückt durch:

Abbildung 7 zeigt, dass die numerischen Ergebnisse gut mit den experimentellen Daten übereinstimmen. Die numerischen Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Der umgekehrte Sättigungsstrom des ReSe₂ -Si-Kontakt ist größer als der Si-Au-Kontakt, da die Kontaktfläche des ReSe₂ -Si-Kontakt ist viel größer, wie in Abb. 4 gezeigt. Der umgekehrte Sättigungsstrom beider Kontakte nimmt mit der Temperatur zu, was darauf hindeutet, dass die elektrischen Leitfähigkeiten beider Kontakte ein Gleichrichtungsverhalten aufweisen, wie in Gl. (2).

Vergleich von I -V Kurven der experimentellen Ergebnisse und der berechneten

Der Idealitätsfaktor des ReSe₂ -Si-Kontakt ist aufgrund unterschiedlicher Kontaktbedingungen und Kristallstrukturen größer als der Si-Au-Kontakt. Abbildung 4 zeigt, dass die Oberfläche des Si-Substrats aufgrund der Ätzlösung rau ist, wodurch das ReSe₂ -Si-Kontakt inhomogen. Der inhomogene Kontakt führt zum großen Idealitätsfaktor [24, 25]. Die raue Oberfläche erzeugt auch eine große Anzahl von Einfangzuständen, was zu einem großen Idealitätsfaktor führt [26]. Darüber hinaus ergeben unterschiedliche Kontakttypen unterschiedliche Idealitätsfaktoren. Die ReSe₂ -Si-Kontakt ist der p-n-Heteroübergang und der ReSe₂ und Si haben unterschiedliche Kristallstrukturen, triklin für ReSe₂ und kubisch flächenzentriert für Si. Die Gitterfehlanpassung führt immer zu einer Kantenversetzung [27] und erzeugt eine hohe Dichte von Fallenzuständen [26], wodurch das ReSe₂ -Si-Kontakte weichen vom idealen Kontakt ab und haben einen großen Idealitätsfaktor [27]. Das Si-Au ist der metallische Halbleiterkontakt, und die Kristallstruktur von Si hat nur wenige Auswirkungen auf den Idealitätsfaktor. Die Idealitätsfaktoren beider Kontakte ändern sich wenig mit der Temperatur. Es lässt sich durch Gl. (5) wie von Khurelbaatar et al. [28],

Gleichung (5) zeigt, dass der Idealitätsfaktor umgekehrt proportional zur Temperatur ist. Der Idealitätsfaktor nimmt nur bei niedrigen Temperaturen mit der Temperatur signifikant ab und ändert sich langsam, wenn die Temperatur über 300 K liegt [28, 29]. Wie in Tabelle 1 gezeigt, steigt der umgekehrte Sättigungsstrom jedoch erheblich mit der Temperatur an, die vom Idealitätsfaktor abweicht. Es lässt sich durch Gl. (2). Nach Gl. (2), der umgekehrte Sättigungsstrom steigt mit der Temperatur, weil T ² und exp (− q Φ_B /kT ) nimmt mit der Temperatur zu. Aufgrund der exponentiellen Beziehung zwischen exp (− q Φ_B /kT ) und − qΦ_B /kT, exp (− q Φ_B /kT ) nimmt mit der Temperatur deutlich zu. Basierend auf der Forschung von Zhu et al. [30], q Φ_B des Au/Si-Kontakts im Experiment bei 273 K und 295 K betragen 0,77 eV bzw. 0,79 eV. Die berechneten Ergebnisse zeigen, dass der umgekehrte Sättigungsstrom bei 295 K sechsmal so hoch ist wie der umgekehrte Sättigungsstrom bei 273 K, was erklärt, warum der umgekehrte Sättigungsstrom mit der Temperatur signifikant ansteigt.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Korrekturverhalten in den Kontakten beobachtet wird, bei denen ein ReSe₂ Flocken, die bei unterschiedlichen Temperaturen über Au-Substrat und Au-Nanofilm suspendiert sind. Das REM-Bild des suspendierten ReSe₂ Flocke in schräger Ansicht von 45° zeigt, dass der ReSe₂ Flocken und Au-Nanofilm stehen in Kontakt mit dem Si-Substrat und die EDS-Karte veranschaulicht die Zusammensetzung der Elemente, ReSe_1.67 . Der Kontakt zwischen den ReSe₂ Flake und das Si-Substrat sind für das Gleichrichtungsverhalten verantwortlich. Die ReSe₂ -Si- und Si-Au-Kontakte sind beides Gleichrichtungskontakte, die einen anderen Stromkreis bilden, und die Asymmetrie beider Kontakte führt zu dem scheinbaren Gleichrichtungsverhalten. Die berechneten Ergebnisse basierend auf der Schottky-Stromgleichung berücksichtigten den Si-Au-Schottky-Kontakt und den ReSe₂ -Si p-n-Heteroübergang stimmt gut mit den Versuchsergebnissen überein.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

AFM:

Rasterkraftmikroskop

EDS:

Energiedispersive Spektroskopie

FET:

Feldeffekttransistor

PMMA:

Polymethylmethacrylat

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

TMD:

Übergangsmetalldichalkogenide