ReSe₂–Au-Übergänge zeigen starke Gleichrichtung über 273–340 K

Zusammenfassung

Der Schottky-Effekt zweidimensionaler Materialien ist wichtig für nanoskalige Elektronik. Ein ReSe₂-Flocke wird übertragen, um zwischen einer Au-Senke und einem Au-Nanofilm suspendiert zu sein. Dieses Bauelement wurde ursprünglich entwickelt, um die Transporteigenschaften der ReSe₂-Flocke zu messen. Im Experiment wird jedoch ein Gleichrichtungsverhalten von 273 bis 340 K beobachtet. Der Gleichrichtungskoeffizient beträgt etwa 10. Mikrostruktur und Elementzusammensetzung werden systematisch analysiert. Aus dem Rasterelektronenmikroskopbild in 45°-Schrägansicht wird festgestellt, dass die ReSe₂-Flocke und der Au-Film mit dem Si-Substrat in Kontakt sind. Die ReSe₂/Si- und Si/Au-Kontakte sind p-n-Heteroübergang bzw. Schottky-Kontakte. Die Asymmetrie beider Kontakte führt zum Gleichrichtungsverhalten. Die Vorhersage basierend auf der thermionischen Emissionstheorie stimmt gut mit experimentellen Daten überein.

Einleitung

Gleichrichtungsverhalten von Metall-Halbleiter-Kontakten, bei denen der Strom mit der Richtung der angelegten Spannung variiert, werden breit in Schottky-Barrieredioden, Feldeffekttransistoren (FET) und Metall-Oxid-Halbleiter-FETs eingesetzt. Schottky erklärte das Verhalten durch Entladungsschichten auf der Halbleiterseite solcher Grenzflächen. Unterschiede in der Elektronenarbeitfunktion zwischen Metall und Halbleiter führen zum als Schottky-Effekt bezeichneten Gleichrichtungsverhalten. Der Kontakt zwischen Metall und zweidimensionalen (2D) Halbleitermaterialien ist ein Schottky-Kontakt, wenn das Metall eine höhere Elektronenarbeitfunktion als ein n-Typ 2D-Halbleiter oder eine niedrigere als ein p-Typ 2D-Halbleiter hat. Der Schottky-Effekt von Metall/2D-Materialien hat große Anwendungen in Mikro-Photodetektoren, Mikro-FETs, Gassensoren und Phototransistoren. Unter 2D-Materialien haben Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) viel Aufmerksamkeit erregt, da sie eine maßgebliche Bandlücke besitzen und der Bandübergang von indirekt zu direkt erfolgt, wenn die Dicke auf Monolage reduziert wird. Die Bandlücke stellt sicher, dass TMDs für viele Anwendungen genutzt werden können, z. B. FETs und Solarzellen. TMDs können auch im thermoelektrischen Bereich eingesetzt werden, was breite Aufmerksamkeit erregt hat. Viele Experimente wurden durchgeführt, um Eigenschaften und Anwendungen von TMDs wie MoS₂, MoSe₂, WSe₂ und WS₂ zu erforschen. Lopez-Sanchez et al. fertigten ultrasensitive Monolagen-Phototransistoren mit MoS₂. Britnell et al. stellten eine WS₂/Graphen-Heterostruktur her und demonstrierten deren Anwendung in photovoltaischen Bauelementen. WSe₂, als ambipolarer Halbleiter, wurde mit doppelt elektrostatischen Gates gesteuert, um eine lichtemittierende Diode zu fertigen. Unter TMDs unterscheidet sich ReSe₂ von anderen Gruppe-VI-TMDs, da ReSe₂ zu Gruppe-VII-TMDs mit einem zusätzlichen Elektron in d-Orbitalen gehört, was zu starker In-Plane-Anisotropie führt. Wenige Studien haben die elektrischen Eigenschaften von ReSe₂ aufgrund seiner speziellen Bandstruktur erforscht. Stromgleichrichtung wird mit ReSe₂/WS₂ p-n-Heteroübergang und ReSe₂/MoS₂ p-n-Heteroübergang erforscht. FETs werden hergestellt, um die elektrischen Eigenschaften von Metall/Halbleiter-Kontakten wie ReSe₂/Metall oder ReS₂/Metall zu untersuchen.

In diesem Brief wird eine ReSe₂-Flocke über eine Au-Senke und ein Au-Nanoband-Elektrode suspendiert. Das Bauelement wurde ursprünglich entwickelt, um die thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten der ReSe₂-Flocke zu messen. Messungen wurden bei 340 K, 310 K, 280 K und 273 K durchgeführt.

Methoden

Zunächst wurde der Si-Substrat mit Au-Elektroden gefertigt. Der 400-µm-dicke undotierte Si-Substrat wurde oxidiert, um eine 180-nm-dicke SiO₂-Schicht nach initiale Reinigung zu bilden, und ein 320-nm-dicker Elektronenstrahlresist wurde durch Spin-Coating auf der SiO₂-Oberfläche abgeschieden. Au wurde durch physikalische Gasphasenabscheidung abgeschieden, um die Au-Nanoelektroden und den Au-Nanofilm in dem Muster zu fertigen, das durch Elektronenstrahllithografie vorbereitet wurde. Indem das Sample in den Photoresist-Entwickler gegeben wurde, wurde der Elektronenstrahlresist geätzt und die Au-Elektrode und der Film blieben zurück. Schließlich wurde die SiO₂-Schicht mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure geätzt und die Si-Schicht unter dem Au-Nanofilm durch CF₄-Plasma geätzt, um einen suspendierten Nanofilm zu fertigen, der etwa 6 µm über dem Si-Substrat liegt.

ReSe₂-Flocken wurden durch chemischen Dampfübergang auf einem Kupfer-Substrat synthetisiert. Eine ReSe₂-Flocke wurde auf die Au-Elektroden übertragen, um Au-ReSe₂-Au-Kontakte mit der Benetzungs-Transfermethode zu fertigen, bei der das ReSe₂-Nanoband mit dem Kupfer-Substrat mit Polymethylmethacrylat (PMMA) beschichtet und auf die Ätzlösung aufgeschwommen wurde, um das Kupfer-Substrat zu ätzen. Nachdem das Kupfer-Substrat abgezogen wurde, wurde das PMMA-beschichtete ReSe₂-Flocke präzise über dem Si-Substrat mit Au-Nanoelektroden durch die Festpunkt-Transferplattform bewegt. Dann wurde das PMMA durch Laser geschnitten und das PMMA-beschichtete ReSe₂-Flocke landete, suspendiert zwischen dem Au-Nanofilm und der Au-Nanoelektrode. Schließlich wurde das PMMA durch Eintauchen des Samples in ein Kaliumhydroxid-Lösungsbad für 3 h entfernt. Das Rasterelektronenmikroskop (SEM)-Bild der gefertigten Au-Elektrode-ReSe₂-Flocke-Au-Nanoband (Au-ReSe₂-Au) Übergänge in vertikaler Ansicht zum Substrat ist in Abb. 1a gezeigt. Die ReSe₂-Flocke war in Abschnitt B mit einem Au-Nanoband und in Abschnitt C mit einer Au-Elektrode in Kontakt. Abbildung 1b zeigt das schematische Diagramm des Messgeräts.

a SEM-Bild des Bauelements in vertikaler Ansicht zum Substrat und die positive Stromrichtung und b schematisches Diagramm des Messgeräts.

Die Richtung entlang A-B-C wird als positiv definiert, oder umgekehrt, und ein Gleichstrom wurde angelegt. Die Spannung V über den Au-ReSe₂-Au-Übergängen wurde mit einem hochgenauen Digitalmultimeter (Keithley 2002, 8,5 Stellen) gemessen, während der Strom I durch Messung der Spannung an einem Referenzwiderstand in Reihe bestimmt wurde. Die I-V-Kurven der ReSe₂/Au-Übergänge für Vorwärts- und Rückwärtsspannung wurden bei verschiedenen Temperaturen in einem Physical Property Measurement System (Quantum Design) gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2 zeigt die gemessenen I-V-Kurven bei 273 K, 280 K, 310 K und 340 K. Signifikante Asymmetrien in den I-V-Kurven werden bei allen gemessenen Temperaturen beobachtet, was ungewöhnliches Gleichrichtungsverhalten anzeigt. Ströme bei 277 mV und −277 mV werden verwendet, um das Stromgleichrichtungsverhältnis bei jeder Temperatur zu berechnen, und das Gleichrichtungsverhältnis beträgt etwa 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 Mechanismus zu erforschen, der für die ungewöhnliche Gleichrichtung verantwortlich ist, wurde die Mikrostruktur der ReSe₂-Flocke mit einem Rasterkraftmikroskop [(AFM), Cypher, Oxford Instruments] und einem Ramanspektrometer (Jovin Yvon T64000, Anregungswellenlänge 532 nm) detektiert. Das AFM-Bild der ReSe₂-Flocke ist in Abb. 3a–c gezeigt, und die bestimmte durchschnittliche Dicke beträgt 28 nm basierend auf dem Querschnitts-Höhenprofil entlang der weißen Linie. Das Ramanspektrum, bestehend aus bis zu 13 erwarteten Linien mit hoher Signalstärke, ist in Abb. 3d gezeigt, was gut mit dem von Wolverson et al. detektierten Spektrum übereinstimmt und die trikline Kristallstruktur der vorliegenden ReSe₂-Flocke offenbart.

a, b und c AFM-Bild und Dicke von ReSe₂, und d Ramanspektrum und Kristallstruktur von ReSe₂.

Abbildung 4 ist das SEM-Bild der ReSe₂-Flocke in 45°-Schrägansicht, das zeigt, dass die ReSe₂-Flocke und der Au-Nanofilm mit dem Si-Substrat in Kontakt sind. ReSe₂-Au-Kontakt wurde in vorheriger Studie als Ohmscher Kontakt gezeigt, was nicht für das Gleichrichtungsverhalten in diesem Experiment verantwortlich ist. Der Stromkreis besteht aus den Au-ReSe₂-Au- und den Au-ReSe₂-Si-Au-Übergängen. Abbildung 5 zeigt das Schaltbild des Stromkreises. Der Si-Au-Kontakt wurde als Schottky-Kontakt gezeigt.

SEM-Bild der ReSe₂-Flocke und des Au-Nanofilms in 45°-Schrägansicht.

Schematik des Stromkreises.

Abbildung 6 zeigt die energiedispersive Spektroskopie (EDS) Daten. Die Map-Summen-Spektren von ReSe₂ werden in Abschnitt 1 und 2 erfasst. Die durchschnittliche chemische Formel ist ReSe₁.₆₇, was ein höheres Verhältnis von Re als ReSe₂ aufweist und der ReSe₂-Flocke p-Typ-Halbleitereigenschaften verleiht. Daher ist der ReSe₂-Si-Kontakt ein p-n-Heteroübergang und zeigt Gleichrichtungsverhalten. Asymmetrie beider Gleichrichtungskontakte resultiert im Gleichrichtungsverhalten.

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

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

$$ I={I}_0{e}^{qV/ nkT}\left(1-{e}^{- qV/ kT}\right) $$ (1) $$ {I}_0={AA}^{\ast }{T}^2{e}^{-q{\Phi}_B/ kT} $$ (2)

wobei I₀ der Sättigungsstrom, q die Elementarladung, k die Boltzmann-Konstante, V die an den Übergang angelegte Spannung, A die Kontaktfläche, A* die effektive Richardson-Konstante, Φ_B die scheinbare Barrierehöhe und T die Messtemperatur ist. Der temperaturabhängige Idealitätsfaktor n repräsentiert den Grad, zu dem der Kontakt von einem idealen Schottky-Kontakt abweicht.

Eine Berechnung basierend auf Gl. (1) wird durchgeführt, um die Analyse des Gleichrichtungsverhaltens zu prüfen. Ströme des ReSe₂-Si-Kontakts, I₁, und des Si-Au-Kontakts, I₂, werden ausgedrückt als:

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

Abbildung 7 zeigt, dass die numerischen Ergebnisse gut mit experimentellen Daten übereinstimmen. Die numerischen Parameter sind in Tabelle 1 gezeigt. Der Rückwärtssättigungsstrom des ReSe₂-Si-Kontakts ist größer als der des Si-Au-Kontakts, da die Kontaktfläche des ReSe₂-Si-Kontakts viel größer ist, wie in Abb. 4 gezeigt. Der Rückwärtssättigungsstrom beider Kontakte steigt mit der Temperatur, was anzeigt, dass die elektrische Leitfähigkeit beider Kontakte Gleichrichtungsverhalten zeigt, wie in Gl. (2) gezeigt.

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

Der Idealitätsfaktor des ReSe₂-Si-Kontakts ist größer als der des Si-Au-Kontakts aufgrund unterschiedlicher Kontaktbedingungen und Kristallstrukturen. Abbildung 4 zeigt, dass die Oberfläche des Si-Substrats durch die Ätzlösung rau ist, was den ReSe₂-Si-Kontakt inhomogen macht. Der inhomogene Kontakt führt zum großen Idealitätsfaktor. Die raue Oberfläche erzeugt auch eine große Anzahl an Fallenzuständen, was zu einem großen Idealitätsfaktor führt. Zusätzlich führen unterschiedliche Kontakttypen zu unterschiedlichen Idealitätsfaktoren. Der ReSe₂-Si-Kontakt ist der p-n-Heteroübergang, und ReSe₂ und Si haben unterschiedliche Kristallstrukturen: triklin für ReSe₂ und flächenzentriert kubisch für Si. Die Gitterfehlanpassung führt immer zu Kantenversetzungen und erzeugt hohe Dichte an Fallenzuständen, was den ReSe₂-Si-Kontakt vom idealen Kontakt abweichen lässt und einen großen Idealitätsfaktor ergibt. Der Si-Au ist der Metall-Halbleiter-Kontakt, und die Kristallstruktur von Si hat wenig Einfluss auf den Idealitätsfaktor. Die Idealitätsfaktoren beider Kontakte ändern sich wenig mit der Temperatur. Dies kann durch Gl. (5) erklärt werden, wie von Khurelbaatar et al. berichtet,

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

Gleichung (5) zeigt, dass der Idealitätsfaktor umgekehrt proportional zur Temperatur ist. Der Idealitätsfaktor nimmt signifikant mit der Temperatur nur bei niedrigen Temperaturen ab und ändert sich langsam, wenn die Temperatur über 300 K liegt. Allerdings, wie in Tabelle 1 gezeigt, steigt der Rückwärtssättigungsstrom signifikant mit der Temperatur, was sich vom Idealitätsfaktor unterscheidet. Dies kann durch Gl. (2) erklärt werden. Gemäß Gl. (2) steigt der Rückwärtssättigungsstrom mit der Temperatur, da T² und exp(−qΦ_B/kT) mit der Temperatur steigen. Aufgrund der exponentiellen Beziehung zwischen exp(−qΦ_B/kT) und −qΦ_B/kT steigt exp(−qΦ_B/kT) signifikant mit der Temperatur. Basierend auf der Forschung von Zhu et al. sind qΦ_B des Au/Si-Kontakts im Experiment bei 273 K und 295 K 0,77 eV bzw. 0,79 eV. Die berechneten Ergebnisse zeigen, dass der Rückwärtssättigungsstrom bei 295 K sechsmal so hoch ist wie bei 273 K, was erklärt, warum der Rückwärtssättigungsstrom signifikant mit der Temperatur steigt.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wird ein Gleichrichtungsverhalten in den Kontakten beobachtet, wo eine ReSe₂-Flocke über Au-Substrat und Au-Nanofilm bei verschiedenen Temperaturen suspendiert ist. Das SEM-Bild der suspendierten ReSe₂-Flocke in 45°-Schrägansicht zeigt, dass die ReSe₂-Flocke und der Au-Nanofilm mit dem Si-Substrat in Kontakt sind und die EDS-Map die Elementzusammensetzung ReSe₁.₆₇ illustrierte. Der Kontakt zwischen der ReSe₂-Flocke und dem Si-Substrat ist für das Gleichrichtungsverhalten verantwortlich. Die ReSe₂-Si- und Si-Au-Kontakte sind beide Gleichrichtungskontakte, die einen weiteren Stromkreis bilden, und Asymmetrie beider Kontakte resultiert im scheinbaren Gleichrichtungsverhalten. Die berechneten Ergebnisse basierend auf der Schottky-Stromgleichung, die den Si-Au-Schottky-Kontakt und den ReSe₂-Si-p-n-Heteroübergang berücksichtigt, stimmen gut mit experimentellen Ergebnissen überein.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

AFM:

Rasterkraftmikroskop

EDS:

Energiedispersive Spektroskopie

FET:

Feldeffekttransistor

PMMA:

Polymethylmethacrylat

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

TMD:

Übergangsmetall-Dichalkogenide