높은 온/오프 비율과 극성 전환 광전도성을 갖춘 SnSe2 전계 효과 트랜지스터

결과 및 토론

그림 1a는 SnSe₂의 개략도를 보여줍니다. FET 소자. 접점은 PMMA(유형 950 A5) 층으로 덮여 있어 피펫에서 떨어지는 DI 물 한 방울로 구성된 상단 게이트와 전기적으로 분리됩니다. 디바이스는 탑 게이트 전압(V _tg ) DI 물방울 또는 백 게이트 전압(V)과 접촉하는 전극에 적용 _bg ) SiO₂를 통해 적용 지원하다. SnSe₂의 광학 이미지 패턴화된 전극이 있는 플레이크가 그림 1b에 나와 있습니다. 소스-드레인 갭은 약 2 μm입니다. SnSe₂를 특성화하기 위해 라만 분광법이 사용되었습니다. 그림 1c와 같이 재료. 지문은 187 cm ⁻¹ 에서 정점을 찍습니다. 및 112 cm ⁻¹ 면외 A에 해당 _1g 모드 및 인플레인 E _g 다른 사람의 보고서와 잘 일치하는 모드입니다. 그러나 SnSe₂의 두께를 결정하기가 어렵습니다. 라만 봉우리의 위치에서. MoS₂와 달리 , 라만 피크 위치의 두께 종속 특성은 명확하지 않습니다[24,25,26]. 그래서 우리는 플레이크 두께를 직접 측정하기 위해 AFM(Atomic Force Microscopy)을 채택했습니다. 그림 1d와 같이 SnSe₂의 두께는 플레이크는 약 34 nm입니다.

SnSe₂의 그림 광트랜지스터 장치 및 SnSe₂에 대한 몇 가지 기본 특성 플레이크. 아 SnSe₂의 개략도 전계 효과 트랜지스터 장치. ㄴ SnSe₂의 광학 이미지 연구 중인 소스 및 드레인 전극을 각각 나타내는 S 및 D가 있는 플레이크. ㄷ SnSe₂의 라만 스펙트럼 플레이크. d 검은색 점선에서 추출한 높이 프로필(그림 1b 참조) ) AFM 측정

어두운 곳에서 측정된 다양한 백 게이트 전압에서 FET 장치의 출력 곡선이 그림 2a에 나와 있습니다. I의 선형 및 대칭 관계 _d -V _ds Ti/Au 전극과 SnSe₂ 사이의 저항 접촉을 보여줍니다. 채널. 그림 2a에서 SnSe₂ 전도도의 변조 효과가 백 게이트에 의한 전압은 매우 미미합니다. 나의 비율 _d 게이트 전압 30과 − 30 V 사이는 V에서 1.15에 불과합니다. _ds 50 mV. 현재 나 _d 백 게이트에서 − 30 V의 전압은 V에서 ~ 1.47 μA만큼 큽니다. _ds 백 게이트 전압으로 끌 수 없는 5 mV. 큰 게이트 전압을 최대 100 V까지 증가시켜도 SnSe₂의 초고 캐리어 밀도에 의한 게이트 전위 스크리닝의 결과로 채널이 오프 상태로 전환되지 않았습니다. , 이는 이전 Pan과 Su의 작업에서 보고된 바 있다[12, 13]. 반도체 이론에 따르면 공핍 폭 W \( W={\left(\frac{2{\varepsilon}_r{\varepsilon}_0{\varphi}_s}{e{N}_D에 의해 결정되는 금속-절연체-반도체(MIS) 구조) }\right)}^{1/2} \), 여기서 φ _s 는 표면 전위, N _디 기증자 불순물 농도 및 ε ₀ 그리고 ε _r 각각 진공 및 상대 유전율. φ 복용 _s , ε _r , N _디 1 V, 9.97 및 1 × 10 ¹⁸ /cm ³ 보수적인 계산으로 방정식에 공핍 폭 W SnSe₂의 두께보다 훨씬 작은 약 22 nm입니다. 플레이크(34 nm). 따라서 백 게이트 변조에 의해 전자가 고갈되지 않는다는 것을 이해하기 쉽습니다.

SnSe₂의 출력 및 전달 특성 어둠 속에서 측정한 FET. 나 _d 대 V _sd SnSe₂의 특성 다른 백 게이팅 전압에서 게이트된 FET V _bg (아 ), 서로 다른 상단 게이팅 전압 V _tg 선형 척도(b ) 및 다른 V에서 _tg 세미 로그 스케일(c ). 나 _d 대 V _tg SnSe₂의 특성 V가 있는 FET _sd 2 mV ~ 10 mV 범위에서 2 mV 단위로 세미 로그 스케일로 그려지며, 삽입은 I의 선형 스케일 플롯입니다. _d -V _tg 특성(d )

대조적으로, DI water를 탑 게이트로 사용할 때 I _d -V _ds 곡선은 그림 2b와 같이 작은 게이트 바이어스에서도 효율적인 변조를 나타냅니다. 0.4 V와 − 0.8 V의 게이트 전압 사이의 전류 비율은 10 ³ 이상입니다. , 세미 로그 스케일로 그린 도 2c에서 더 명확하게 볼 수 있다. SnSe₂에 대한 전달 곡선 상단 게이트가 있는 FET는 그림 2d에 나와 있으며 이는 일반적인 n형 전도성 동작을 보여줍니다. 전압은 10 mV/s의 스캔 속도로 음의 방향에서 양의 방향으로 스캔합니다. 이온성 액체 또는 고체 전해질의 전기 이중층(EDL)은 높은 정전 용량을 가지며 2D 및 적층 재료에서 매우 효율적인 전하 결합을 달성하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 크기와 질량이 큰 이온으로 인한 느린 전하 이동 프로세스는 게이트-채널 인터페이스에서 평형을 유지하기 위해 낮은 바이어스 스캔 속도를 필요로 합니다. 대조적으로, DI water를 유전층으로 사용할 때 H ⁺ 그리고 오 ⁻ 이온은 크기와 질량이 작고 물은 점도가 낮습니다. 따라서 물-반도체 인터페이스의 이중층을 통한 DI 워터 게이팅은 훨씬 더 높은 전압 스위프 속도를 지원하고 이온성 액체 게이팅 또는 고체 전해질 게이팅보다 빠르게 반응합니다. 삽입된 그림은 I _d -V _tg 특성. 특히 DI water는 탑 게이트로 SnSe₂의 트랜스컨덕턴스 특성을 크게 향상시킵니다. FET. V로 _tg - 0.8에서 0.4 V까지 다양합니다. I _d 9.5 × 10 ⁻¹¹ 에서 변경 ~ 7.6 × 10 ⁻⁷ ~ 10 ⁴ 의 온/오프 전류 비율을 갖는 A . 전달 특성에서 계산된 하위 임계값 스윙은 ~ 62 mV/decade입니다. 이 값은 적층 금속 칼코겐화물 FET 장치의 실용적인 저전압 작동에 충분합니다. 이동성 μ 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다. \( \mu =\frac{d{I}_d}{d{V}_g}\cdotp \frac{L}{W{C}_{H2O}{V}_{ sd}} \), 여기서 L 그리고 W 채널 길이 및 너비(L = 2 μm, W =5 μm), 각각 C _H2O 는 단위 면적당 DI 수문 커패시턴스입니다. 여기서 C의 커패시턴스는 _H2O 348 nF/cm ² 로 측정되었습니다. , 자세한 계산은 보충 자료에 첨부되어 있습니다(추가 파일 1:그림 S1a 및 b). 얻어진 전자 이동도는 127 cm ² 입니다. /Vs는 다른 몇 층의 2D 재료에 비해 상당히 좋습니다. DI water를 유전층으로 사용하여 탑 게이트에 의해 실현되는 실질적으로 개선된 변조 효과는 Huang의 연구에서 보고된 바 있습니다[27]. SnS₂에 DI 워터 게이트를 적용했습니다. , MoS₂ , 및 BP 플레이크 및 높은 온/오프 비율, 이상적인 하위 임계값 스윙 및 탁월한 이동성을 달성했습니다. 그들은 이러한 개선이 주변 흡착 물질로부터 플레이크를 완벽하게 보호하고 높은 k 유전체(ε _{r (H2O)} =80). 탈이온수가 제공하는 패시베이션 및 스크리닝 효과는 HfO₂와 같은 다른 기존 고유전성 물질과 유사합니다. 또는 Al₂ O₃ [18, 19]. 또한, DI water와 SnSe₂ 사이의 효과적인 결합 플레이크 가장자리를 통해 두꺼운 플레이크에 대해서도 높은 온/오프 비율을 달성하는 데 중요한 역할을 하는 것 같습니다. SiO₂와 비교 백 게이팅, DI 워터 게이팅은 전기장 거리를 효과적으로 줄일 수 있으므로(몇 100 nm에서 1 nm 미만으로) 임계값 게이트 전압도 수십 볼트에서 1 V 미만으로 감소했습니다. 2d, 약 V에서 약간의 전류 점프 _tg =0.4 V는 Huang의 연구[27]에서 보고된 바와 같이 좁은 전기화학적 창으로 인해 DI water의 전기분해로 인해 발생할 수 있습니다.

SnSe₂의 시간 의존적 광전 응답 후면 또는 상단 게이팅으로 제어되는 FET는 그림 3에 나와 있습니다. 흥미롭게도 SnSe₂ FET는 SiO₂를 통한 백 게이트로부터의 게이팅에 관계없이 음의 게이팅에서 양의 광전류를 나타내고 양의 게이팅에서 음의 광전류를 나타냅니다. 또는 DI 워터를 통해 탑 게이트에서. 그림 3a에서 우리는 음의 백 게이트 전압이 증가함에 따라 광전류의 크기가 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 백 게이트 전압이 - 80 V일 때 상대 광전도도(Δσ/σ로 정의됨) ₀ , 여기서 σ ₀ 는 암흑 전도도 및 Δσ σ의 차이입니다. 및 σ ₀ )는 5%입니다. 탈이온수를 탑 게이트로 사용할 때 그림 3b와 같은 유사한 법칙을 얻습니다. − 0.4 V로 설정한 상단 게이트 전압에서 상대 광전도율은 6%에 도달할 수 있습니다. 그러나 두 종류의 게이팅 사이의 응답 시간이 상당히 다르다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. SiO₂를 사용한 백 게이팅용 유전체로서 상승 에지에 대한 응답 시간은 약 30 s입니다. DI water를 유전체로 사용하는 탑 게이팅의 경우 응답 시간은 1.7 s에 불과합니다. 여기에서 10~90% 상승 시간(또는 10~90% 하강 시간)을 응답 시간으로 정의합니다. DI 워터 게이팅으로 훨씬 더 빠른 응답 속도는 더 높은 캐리어 이동성과 관련되어야 합니다(127 cm ² /Vs) 불순물 또는 흡착물 비산의 효과적인 스크리닝으로 인한 것입니다. 흥미롭게도 게이트 전압이 양수일 때 SnSe₂ 필름은 도 3c 및 d에 도시된 바와 같이 음의 광전도성(NPC)을 나타낸다. 게이트 의존 바이폴라 광전도성은 게이트와 소스 사이의 누설 전류에 의해 유도되지 않는다는 점을 강조해야 합니다. I의 누설 전류를 측정했습니다. _g 추가 파일 1:그림 S2와 같이 양수 또는 음수 게이트 바이어스를 적용할 때. 나의 기호 _g V 방향을 따릅니다. _gs 그리고 드레인-투-소스 광전류(I _d ). 또한, I의 크기는 _g 나보다 훨씬 작습니다. _d , 그래서 그 영향을 무시할 수 있습니다. SnSe₂의 NPC에서 H₂가 있는 FET O 유전체로서 양의 광전도성(PPC)과 구별되는 두 가지 특징이 있습니다. 하나는 양의 V에서 상대 광전도성 게이팅의 절대값입니다. _tg (~ 20%)는 음의 V에서의 게이팅보다 훨씬 큽니다. _tg (6%). 다른 하나는 SnSe₂입니다. FET는 양의 V에서 훨씬 더 긴 응답 시간(~ 30 s)을 나타냅니다. _tg 음의 V보다 _tg (1.7 s).

SnSe₂의 광반응 시간 의존성 V에서 바이어스된 FET _sd =다른 네거티브 백 게이팅 전압 V에 적용될 때 5 mV _bg (아 ), 네거티브 탑 게이팅 전압 V _tg (b ), 포지티브 백 게이팅 전압 V _bg (ㄷ ) 및 포지티브 탑 게이팅 전압 V _tg (d )

네거티브 광전도성(NPC) 현상은 탄소나노튜브, InAs 나노와이어, ZnSe 나노와이어와 같은 여러 반도체 나노구조체에서 보고된 바 있다[28,29,30]. 산소 분자 흡착 및 광 탈착은 일반적으로 NPC 효과에 대한 책임이 있다고 제안됩니다. 그러나 이러한 설명은 SnSe₂에는 적용되지 않습니다. 산소 탈착은 더 높은 전자 농도와 전도도로 이어질 것이기 때문입니다. SnSe₂에서 NPC 효과와 NPC와 PPC의 공존을 이해하기 위해 , 우리는 I _d -V _tg SnSe₂의 곡선 그림 4와 같이 조명 아래의 FET. 명확한 비교를 위해 어두운 곳에서의 전달 곡선도 추가되었습니다. 우리는 장치가 게이트 전압에 의해 전환될 수 있는 양극성 광전도성을 나타내는 것을 볼 수 있습니다. 조명 및 암실에서 측정된 전달 곡선은 거의 0 V의 게이트 전압에서 교차하므로 장치는 마이너스 게이트 바이어스에서 양의 광전도도를 나타내고 플러스 게이트 바이어스에서 음의 광전도도를 보여 결과와 일치합니다. 잘 알려진 바와 같이 전도도 σ σ로 결정 =네뮤 , 여기서 n , e , 및 μ 각각 캐리어 농도, 전자 전하 및 이동도입니다. 따라서 전도도는 캐리어 농도와 이동도의 곱에 의해 결정됩니다. 빛 아래의 전달 곡선에서 트랜스컨덕턴스의 변화 g _m 제로 게이트 전압에 걸쳐 이동도의 변경을 의미합니다. 전달 곡선에서 표 1 및 2와 같이 조명 및 어둠의 이동도를 계산할 수 있습니다. SnSe₂의 이동도 어둠 속에서 약 70 cm ² /Vs, 조명 아래에서의 이동성은 약 60 cm ² 의 두 가지 값을 가집니다. /Vs(마이너스 게이트 바이어스 및 ~ 4 cm ² ) /Vs at 플러스 게이트 바이어스. 음수 V에서 _tg , 명암 상태의 이동도는 거의 동일하지만 광 여기 상태의 캐리어 농도는 어두운 상태의 캐리어 농도보다 큽니다. 따라서 장치는 양의 광전도성을 나타냅니다. 양의 V에서 _tg , 이동성은 음수 V의 경우보다 한 차수 이상 작습니다. _tg , 그리고 이동성의 감소는 캐리어 농도의 증가를 초과하고 광전도성 진화를 지배합니다. 따라서 양의 광전도도 대신 순 음의 광전도도가 발생합니다.

나 _d -V _tg SnSe₂의 특성 조명과 어둠 속에서 FET

Pai-Chun Wei et al. 작은 밴드 갭에서 NPC 효과를 발견하고 InN 필름을 퇴화시켰고 이것을 전하 재결합 중심으로부터의 심각한 산란으로 인한 이동도의 저하로 돌렸습니다[31], 이는 우리의 SnSe₂에 적용될 수 있습니다. 체계. 그러나 게이팅 바이어스가 음에서 양의 전압으로 스캔할 때 이동도가 감소하는 이유는 명확하지 않습니다. 우리는 이 현상이 일부 인갭 상태에서 비롯된 것이라고 생각합니다. 인갭 상태는 Se 공석과 같은 일부 점 결함으로 인해 발생할 수 있습니다. 조명 아래에서 인갭 상태는 E 아래에 있습니다. _f 일부 광 생성 구멍을 가두어 양전하를 띤 산란 센터가 됩니다. V와 함께 _tg 네거티브 바이어스에서 포지티브 바이어스로 스캔, 더 많은 인갭 상태가 E 아래로 떨어짐 _f 하전 산란 중심이 되어 이동성이 저하됩니다. NPC의 메커니즘을 완전히 이해하려면 추가 작업이 필요합니다.