양극성 WSe2 전계 효과 트랜지스터의 전기 및 광전자 특성에 대한 손쉬운 p-도핑 효과

결과 및 토론

그림 1a는 WSe₂의 광학 이미지를 보여줍니다. 플레이크 및 조작된 WSe₂ FET. WSe₂ 박편은 대량 WSe₂에서 기계적으로 박리되었습니다. 결정 및 270nm 두께의 SiO₂에 전사됨 FET의 백 게이트로 사용된 심하게 도핑된 p++ Si 웨이퍼의 표면. 소스 및 드레인 전극으로 사용된 티타늄 금속 패턴은 WSe₂에 증착되었습니다. 표면. 자세한 장치 제조 프로세스는 추가 파일 1:그림 S1에 설명되어 있습니다. 제작된 양극성 WSe₂의 개략도 FET는 그림 1b에 나와 있습니다. WSe₂의 모든 전기적 및 광 스위칭 속성 FET는 진공(~ 3.5 × 10 ⁻³ Torr) 공기 중의 산소와 물 분자가 WSe₂의 특성에 영향을 미칠 수 있기 때문에 FET. 예를 들어, WSe₂의 반도체 유형은 FET는 공기 노출에 의해 n형에서 p형으로 변경될 수 있습니다[25]. WSe₂의 원자력 현미경(AFM) 이미지 플레이크는 지형 단면 프로파일과 함께 그림 1c에 표시됩니다. WSe₂의 측정된 두께 파란색 선을 가로지르는 플레이크는 이중층 WSe₂에 해당하는 ~ 1.2nm(그림 1c의 삽입 그래프)인 것으로 나타났습니다. (단층 WSe₂의 두께 ~ 0.7 nm) [16]. 그림 1d는 WSe₂의 라만 스펙트럼을 보여줍니다. 두 개의 명확한 피크 표시(520cm ⁻¹ 에서 피크) Si 기판에 할당됨). 245cm에서 라만 피크 ⁻¹ 평면 내(E ¹ _2g 모드) 또는 평면 외(A_1g 모드) WSe₂의 진동 , 308cm에서 라만 피크 ⁻¹ B ¹ 에 해당 _2g 다층 WSe₂에서만 나타나는 모드 추가적인 층간 상호 작용으로 인해 [26]. 이 발견은 WSe₂의 우수한 품질을 보장합니다. 이 실험에 사용된 플레이크. E ¹ _2g 및 A_1g WSe₂의 피크 본 연구에서 라만 분광기는 거의 변질되기 때문에 구별할 수 없었다[27]. 그림 1e는 전달 곡선(소스-드레인 전류 대 게이트 전압, I _DS -V _GS 곡선) 양극성 WSe₂ FET. WSe₂의 이러한 양극성 전송 동작 FET는 WSe₂의 수 때문입니다. FET에서 주요 캐리어 유형을 결정할 수 있는 레이어(이중층) [28, 29].

아 WSe₂의 광학 이미지 플레이크(왼쪽) 및 가공된 WSe₂ FET(오른쪽). ㄴ 제작된 WSe₂의 개략도 Ti 접점이 있는 FET. ㄷ AFM 이미지 및 d WSe₂의 라만 스펙트럼 . 이 나 _DS -V _GS 양극성 WSe₂의 곡선 FET

그림 2a는 I _DS -V _GS WSe₂의 곡선 200°C에서 1시간 동안 주변에서 열 어닐링 전후의 FET. 출력 곡선(소스-드레인 전류 대 소스-드레인 전압, I _DS -V _DS 곡선) 동일한 WSe₂ 어닐링 전후의 FET는 추가 파일 1:그림 S2에 나와 있습니다. 여기에 몇 가지 사항이 지적됩니다. 첫째, 다수 캐리어의 유형이 변경되는 전압(V _{n ↔피} ) 주위에서 어닐링 후 - 15에서 - 5 V로 이동했습니다(그림 2a에서 녹색 화살표로 표시). 둘째, 나 _DS V에서 크게 증가 _GS 여기서 다수 캐리어는 구멍(V _GS <V _{n ↔피} ) 및 V에서 감소 _GS 여기서 다수 캐리어는 전자(V _GS > V _{n ↔피} ) 어닐링 후(그림 2a에서 파란색 화살표로 표시). 이 동작은 WO₃에 기인합니다. WSe₂에 p-도핑을 도입하는 어닐링에 의해 형성된 층 FET[20]. 셋째, 어닐링 후 홀 이동도가 0.13에서 1.3cm로 증가했습니다. ² V ⁻¹ s ⁻¹ , 전자 이동도가 5.5에서 0.69cm ² 으로 감소했습니다. V ⁻¹ s ⁻¹ . μ 공식을 사용했습니다. =(디나 _DS /dV _GS ) × [L /(화장실 _나 V _DS )] 캐리어 이동성을 계산하기 위해, 여기서 L (~ 1.5 μm) 채널 길이, W (~ 2.8 μm)는 채널 너비이고 C _나 =ε ₀ ε _r /d =1.3 × 10 ⁻⁴ Fm ⁻² WSe₂ 사이의 커패시턴스입니다. 및 단위 면적당 p++ Si 웨이퍼. 여기, ε _r (~ 3.9)는 SiO₂의 유전 상수입니다. 그리고 d (270 nm)는 SiO₂의 두께입니다. 층. 어닐링 후 전기적 특성의 이러한 변화는 I _DS V의 함수로 _GS 및 V _DS 주변에서 어닐링 전(상단 패널) 및 후(하단 패널)(그림 2b). 이 등고선 플롯은 I _DS -V _GS V에서 측정된 곡선 _GS 1.25V 단계 및 V로 − 0 ~ 70V 범위 _DS 0.25V 단계로 3~6V 범위입니다. 등고선 플롯의 파란색 영역은 양의 V 방향으로 이동했습니다. _GS 어닐링 후 방향. 이 이동은 그림 2a에서 녹색 화살표로 표시된 전달 곡선 이동과 일치합니다. 양수 및 음수 V에서의 색상 변화 _GS (그림 2b) 어닐링 후 WSe₂의 채널 전류 변화를 나타냅니다. FET(그림 2a). 기타 WSe₂ FET는 또한 주변에서 어닐링 후 전기적 특성에서 동일한 변화를 보여주었습니다(추가 파일 1:추가 파일의 그림 S3 및 S4 참조). 또한 WSe₂ 열처리에 의한 전기적 특성의 변화 진공 상태의 FET(~ 4.5 × 10 ⁻⁴ Torr)을 200°C에서 1시간 동안 조사했습니다(그림 2c, d). 주변에서 어닐링된 FET의 결과와 대조적으로, I _DS V 모두에서 증가 _GS V의 조건 _GS > V _{n ↔피} 및 V _GS <V _{n ↔피} . 증가된 나 _DS 진공에서 어닐링하여 얻은 개선된 WSe₂ - WO₃의 형성 없이 Ti 접촉 [30]. 비교 결과로부터 상온에서 어닐링하는 동안 산소 분자와의 상호작용에 의해 p-도핑이 도입되었음을 예상할 수 있다. 전기적 특성 변화의 원인은 이후 XPS 데이터 분석을 통해 보다 자세히 논의된다.

아 , ㄷ 나 _DS -V _GS WSe₂ 반대수 규모의 곡선 어닐링 전과 200°C에서 1시간 동안 어닐링한 후의 FET. ㄴ , d I의 등고선 플롯 _DS V의 함수로 _GS 및 V _DS 어닐링 전(상단 패널) 및 200°C에서 1시간 동안 어닐링 후(하단 패널)

다음으로 WSe₂의 광전환 특성을 측정했습니다. 주변에서 열 어닐링 전후의 FET(그림 3a, b). 이 FET의 전기적 특성은 추가 파일 1:그림 S3에 나와 있습니다. 레이저가 WSe₂에 조사되었습니다. 소스-드레인 전류가 포화된 것처럼 보이면 FET가 꺼집니다. 광전환 실험은 고정된 V에서 수행되었습니다. _GS =0V, V _DS =10V, 레이저 파장 405nm, 레이저 출력 밀도 11mW/cm ² . 그림 3a, b는 각각 주변에서 어닐링 전과 후의 광 스위칭 특성을 보여줍니다. 이 연구에서 상승 시간 상수(τ _상승 )는 광전류에 필요한 시간으로 정의됩니다. _ph =나 _이라 – 나 _어두운 ) 최대값의 10%에서 90%로 변경하고 감쇠 시간(τ _부패 )는 광전류가 1/e로 감소하는 시간입니다. 초기 값의. 그림 3a, b의 보라색 영역은 레이저 조사 시간을 나타냅니다. 우리는 WSe₂의 포토스위칭 응답 시간의 극적인 변화를 관찰했습니다. 열처리 후의 FET. 둘 다 τ _상승 그리고 τ _부패 92.2초 및 57.6초에서 각각 0.15초 및 0.33초 미만으로 감소했습니다(각각 610배 및 170배 초과 감소에 해당). τ _상승 그리고 τ _부패 어닐링 후 기기의 한계로 인해 정확하게 측정할 수 없었습니다. 광전환 응답 시간의 변화가 WSe₂ 산화의 영향으로 인한 것인지 확인하기 위해 레이어에서 WSe₂의 광전환 동작을 비교했습니다. 진공에서 열 어닐링 전후의 FET(~ 4.5 × 10 ⁻⁴ Torr) 200°C에서 1시간 동안(그림 3c, d). 주변 환경에서 어닐링된 FET에 대한 광 스위칭 응답 시간의 극적인 감소와 달리 τ의 비교적 작은 변화 _상승 (148초에서 131초까지) 및 τ _부패 (166에서 102초) 진공에서 어닐링된 샘플에 대해 관찰되었습니다. 이 결과는 WSe₂의 산화가 주변에서 어닐링에 의한 표면은 빠른 광전환 응답의 주요 원인입니다. 주변 환경에서 어닐링하여 광전환 동작이 개선된 이유는 WSe₂ 간의 격자 불일치 때문입니다. 및 WO₃ 구조는 WSe₂의 밴드갭에서 트랩 및 재조합 사이트를 제공합니다. , 이는 광생성 캐리어의 재조합 과정을 촉진할 수 있습니다.

양극성 WSe₂의 광전환 반응 FET a , ㄷ 어닐링 전과 후 b 200°C에서 1시간 및 d 동안 대기 진공에서 각각. 모든 데이터는 V에서 측정되었습니다. _GS =0V 및 V _DS =10V

또한, 레이저를 끈 후 오래 지속되는 광전환 특성의 근원에 대한 추가 조사를 위해, 여러 V에서의 광전환 특성 _GS 조사되었다(그림 4). 이 FET의 전기적 특성은 추가 파일 1:그림 S4에 나와 있습니다. 적용된 V _GS =5V, V _GS =− 15V 및 V _GS =− 90 V는 V의 범위에 해당합니다. _GS > V _{n ↔피} , V _GS ~ V _{n ↔피} , 및 V _GS <V _{n ↔피} , 각각. 주목할만한 점은 포토스위칭 반응이 V의 범위에 크게 의존한다는 것입니다. _GS 그것이 단련되었는지 아닌지. V가 감소함에 따라 _GS 어닐링 전의 경우 5에서 − 90V까지 지속되는 광전도성(그림 4에서 점선으로 표시)은 V에서 사라집니다. _GS =− 15 V(그림 4c) 그리고 V에서 다시 나타남 _GS =− 90V(그림 4e). 이 V _GS -의존적 광전환 특성은 주로 적용된 V에 의해 전하 캐리어 역학이 변경되었기 때문입니다. _GS [31]. 적용된 V에 따라 _GS 페르미 준위의 위치에 영향을 미침(E_F ), 조사를 끈 후 주입된 캐리어의 양을 결정할 수 있습니다(추가 파일 1:그림 S5)[31]. 우리는 이러한 복잡한 V를 설명하기 위해 밴드 다이어그램을 제안했습니다. _GS -조사를 켜고 끌 때 세부적인 종속 광전환 특성(추가 파일 1의 섹션 4 참조).

아 W 및 b WSe₂의 XPS 스펙트럼에서 Se 피크 1시간 및 5시간 동안 250°C의 주변 환경에서 어닐링 전후. ㄷ WSe₂의 구조적 변화에 대한 개략도 주변의 열 어닐링으로 인해 발생

그림 4a, b는 V에서 광전환 특성이 향상되었음을 보여줍니다. _GS =5V(V _GS > V _{n ↔피} ) 열 어닐링에 의해 이는 그림 3의 결과와 일치합니다. 이 거동은 WSe₂ 사이의 유도된 재조합 사이트에서 촉진된 재조합 프로세스에 의해 설명될 수도 있습니다. 및 WO₃ 상호 작용. PL 결과는 WO₃에서 비방사성 재조합 사이트의 존재를 보여주었습니다. /WSe₂ , 나중에 논의될 것입니다. V에서 _GS =− 15V(V _GS ~ V _{n ↔피} ), 우리는 매우 빠른 광전환 특성으로 인해 열처리 후 뚜렷한 변화를 관찰할 수 없었습니다(그림 4c, d). 이 빠른 광전환 동작은 E_F 위치에서 시작됩니다. WSe₂ 중간에 조사를 끈 후 추가 전하 주입을 억제하는 밴드갭(자세한 내용은 추가 파일 1의 섹션 4 참조). V의 경우 _GS =− 90V(그림 4e, f), τ _부패 그리고 τ _긴 어닐링 후의 전류는 어닐링 전의 전류보다 훨씬 높았지만(20배 이상) 각각 유지 및 단축되었다. 중요한 것은 광 트랜지스터에서 광유도 전류와 감쇠 시간 상수 사이에 트레이드오프가 있다는 것입니다. 그 이유는 갇힌 광생성 소수 캐리어가 추가 전기장을 생성할 수 있으므로 조사 후에도 채널 전류가 증가하고 지속적인 전하 주입이 필요하기 때문입니다. 꺼져 있다[32, 33]. 이와 관련하여 τ의 보존 _부패 및 단축 τ _긴 크게 증가된 광유도 전류에도 불구하고 그림 4e, f와 같이 주변에서 어닐링에 의해 개선된 광 스위칭 특성을 나타냅니다. τ에 대해 _상승 , E_F의 위치 p-도핑에 의해 가전자대로 이동하여 광 생성된 정공이 차지할 수 있는 정공 트랩 사이트가 감소하여 무전하 중성이 더 강해집니다(추가 파일 1:그림 S6a). 강한 무전하 중성으로 인해 조사하에서 전하중성을 만족시키기 위해 더 많은 전하를 주입한다. 그리고, 광발생 캐리어는 광전류에 기여하기 위해 채널을 통과하는 동안 자유 캐리어로 더 많은 산란을 겪으므로 τ _상승 시간이 길어질 수 있습니다. 그런 이유로 τ _상승 V에서 길어짐 _GS =− 90 V 그림 4e, f에 표시된 것처럼 열 어닐링 후(자세한 내용은 추가 파일 1의 섹션 4 참조)

그림 5a, b는 WSe₂의 원소 조성 변화를 조사하기 위한 XPS 분석을 보여줍니다. 주위에서 열 어닐링에 의해. 200°C에서 1시간 동안 어닐링하는 것이 그림 1 및 2에 표시된 것처럼 전기적 및 광 스위칭 특성을 모두 변경하기에 충분했지만. 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 이러한 어닐링 온도 및 시간은 WSe₂의 원소 조성 변화를 관찰하기에 충분하지 않았다. . 따라서 기계적으로 박리된 WSe₂ 플레이크는 그림 5a, b와 같이 XPS 분석을 위해 주변 환경에서 250°C에서 1시간 및 5시간 동안 어닐링되었습니다. 두 텅스텐 피크의 강도(W ⁶⁺ 로 표시됨)에 유의해야 합니다. 그림 5a)에서 35.5 eV와 37.8 eV의 결합 에너지는 어닐링 시간이 증가함에 따라 점차적으로 증가했지만 셀레늄 피크의 강도에는 변화가 관찰되지 않았습니다. W ⁶⁺ 의 텅스텐 피크 열처리에 의해 생성된 WO₃의 형성을 나타냅니다. WSe₂의 반응으로 인해 어닐링 동안 공기 중의 산소와 함께 [20, 34]. 반면에 Se₂와 같은 셀레늄 산화물의 형성은 O₃ , 눈에 띄지 않았다(그림 5b). 그림 5c는 WSe₂ 전후의 미세한 구조의 개략도를 보여줍니다. 어닐링에 의한 산화, WSe₂의 실제 기하학적 구조를 기반으로 그린 ​​것 및 입방 WO₃ (W-Se 결합 길이 2.53 Å, Se-Se 결합 길이 3.34 Å, W-O 결합 길이 1.93 Å) [20, 35, 36]. WSe₂ 이후 육각형 구조를 가지며 WO₃ 입방 구조, WSe₂ -WO₃ 구조는 그림 5c와 같이 퀼팅된 평면 내 이종 접합입니다[20]. 따라서 상온에서 어닐링 후 전기적 특성 변화의 원인(그림 2a, b)은 WO₃의 형성으로 설명할 수 있습니다. . 형성된 WO₃ WSe₂의 작업 기능의 차이로 인해 acceptor 역할을 할 수 있습니다. (~ 4.4 eV) 및 WO₃ (~ 6.7 eV) 증가된 I _DS 음수 V _GS 지역(V _GS <V _{n ↔피} ) 및 감소된 I _DS 긍정적인 V _GS 지역(V _GS > V _{n ↔피} ) [20, 37, 38]. 우리의 결과와 유사하게 WO₃ WSe₂에 증착되거나 포함된 레이어 WSe₂에 p-도핑을 도입한 시트 FET [20,21,22].

아 WSe₂의 라만 스펙트럼 200°C에서 60분(검은색 선), 350°C에서 60분(빨간색 선), 500°C에서 5분(파란색 선)에서 주변 어닐링 후. 삽입 이미지는 각각 500°C에서 어닐링 전과 후의 광학 이미지에 해당합니다. 스케일 바 =15 μm. ㄴ 712cm ⁻¹ 밴드와 통합된 500°C에서 어닐링 후 라만 매핑 이미지 및 806cm ⁻¹ , 각각. 스케일 바 =10 μm. ㄷ WSe₂의 광학 밴드갭 전, 후 250 °C에서 30분 동안, 그리고 60분 동안. 삽입 이미지는 단층 WSe₂의 광학 이미지입니다. 스케일 바 =10 μm인 플레이크(샘플 1로 표시됨). d 최대 PL 강도 및 10μm 스케일 바의 해당 PL 매핑 이미지

WO₃의 형성에 의한 광학적 영향을 조사하기 위해 Raman 및 PL 분광학 실험을 수행했습니다. . 그림 6a는 WSe₂의 라만 스펙트럼을 보여줍니다. 200°C에서 60분 동안(검은색 선), 350°C에서 60분 동안(빨간색 선), 500°C에서 5분(파란색 선)에서 주변 어닐링 후. 약 712cm ⁻¹ 에 새로운 봉우리가 나타남 및 806cm ⁻¹ WO₃의 라만 피크에 매우 가까운 500°C에서의 어닐링에 의해 (709cm ⁻¹ 및 810cm ⁻¹ ) [39], WO₃의 형성을 지원 WSe₂의 레이어 표면. 삽입된 이미지는 500°C에서 5분 동안 어닐링 전과 후의 광학 이미지입니다. 712cm ⁻¹ 밴드와 통합된 라만 매핑 이미지 및 806cm ⁻¹ 그림 6b는 균일한 WO₃를 보여줍니다. WSe₂에 형성 표면.

아 WSe₂의 라만 스펙트럼 200°C에서 60분(검은색 선), 350°C에서 60분(빨간색 선), 500°C에서 5분(파란색 선)에서 주변 어닐링 후. 삽입 이미지는 각각 500°C에서 어닐링 전과 후의 광학 이미지에 해당합니다. 스케일 바 =15 μm. ㄴ 712cm ⁻¹ 밴드와 통합된 500°C에서 어닐링 후 라만 매핑 이미지 및 806cm ⁻¹ , 각각. 스케일 바 =10 μm. ㄷ WSe₂의 광학 밴드갭 전, 후 250 °C에서 30분 동안, 그리고 60분 동안. 삽입 이미지는 단층 WSe₂의 광학 이미지입니다. 스케일 바 =10 μm인 플레이크(샘플 1로 표시됨). d 최대 PL 강도 및 10μm 스케일 바의 해당 PL 매핑 이미지

PL 분광기 분석은 두 개의 서로 다른 단층 WSe₂에 대해 수행되었습니다. 도 6c에 도시된 바와 같이 플레이크(샘플 1 및 샘플 2로 표시됨). 그림 6c의 삽입은 샘플 1의 광학 이미지에 해당합니다. 각 WSe₂ 플레이크는 주변 환경에서 250°C에서 30분 및 60분 동안 어닐링되었습니다. 다른 단층 WSe₂의 광학 및 PL 매핑 이미지 플레이크(샘플 2로 표시됨)는 추가 파일 1:그림 S7에 제공됩니다. 어닐링 시간이 증가함에 따라 WSe₂의 광 밴드갭 더 넓어졌습니다. PL 스펙트럼에서 최대 강도의 광자 에너지가 밴드갭에서 발생하는 공명 형광에 해당하기 때문에 광학 밴드갭을 추출했습니다. 샘플 1의 광학 밴드갭은 단층 WSe₂의 밴드갭에 해당하는 어닐링 전에 ~ 1.60 eV로 측정되었습니다. [27], 밴드갭 값은 60분 동안 어닐링 후 ~ 1.61 eV로 변경되었습니다. 광 밴드갭의 증가(~ 10 meV)는 미미하지만, 이 현상은 WSe₂의 형성으로 설명될 수 있습니다. -WO₃ 면내 이종접합 및 유전체 스크리닝 효과. WO₃ 이후 WSe₂에 비해 2.75eV의 더 큰 밴드갭을 가집니다. (단일층의 경우 1.60 eV) [40], 단층 WSe₂의 광학 밴드갭 플레이크는 주변에서 어닐링을 통해 증가했습니다. 또한 WO₃의 형성 WSe₂에서 WO₃의 더 큰 유전 상수로 인해 더 강한 유전 차단 효과를 생성할 수 있습니다. (~ 90) WSe₂와 비교 (~ 22) [41, 42]. 결과적으로, 더 강한 유전체 스크리닝 효과는 감소된 여기자 결합 에너지를 초래하고 열 어닐링 동안 광학 밴드갭을 약간 증가시킵니다[43].

흥미롭게도 PL 강도의 관점에서 그림 6d와 같이 어닐링 시간이 증가함에 따라 분명히 감소했습니다. 단층 WSe₂의 PL 담금질 거동 어닐링 시간이 증가함에 따라 피크 영역의 PL 강도를 통합하는 PL 매핑 이미지에서 쉽게 관찰할 수 있습니다(그림 6d의 삽입). MoS₂에서도 유사한 현상이 관찰되었습니다. 산소 플라즈마 [44]로 처리됩니다. 이러한 결과는 다음과 같이 설명할 수 있다. WO₃ 이후 간접 밴드갭[40], WSe₂의 밴드 구조를 가짐 간접 밴드갭이 있는 것으로 부분적으로 변경될 수 있으며, 이는 PL 강도를 감소시킵니다. 또한 WSe₂ 간의 격자 불일치 및 WO₃ 구조는 WSe₂의 밴드갭에서 트랩 및 재조합 사이트를 제공합니다. WSe₂의 전기적 및 광학적 특성에 영향을 미칠 수 있는 . 예를 들어, 무질서, 결함 및 유황 공석은 MoS₂에서 얕거나 깊은 트랩 사이트를 생성할 수 있습니다. 재결합 과정을 일으키는 층 [31, 45]. 따라서 Annealing 시간이 길어질수록 WSe₂의 lattice mismatch에서 기인하는 무질서 및 결함 -WO₃ 구조는 비방사성(Shockley-Read-Hall) 재결합[45]을 일으키고 PL 강도를 감소시킵니다. 종합적으로 XPS, Raman 및 PL 분광기의 실험 결과는 WO₃의 형성을 보여줍니다. WSe₂에서 이는 2차원 물질의 산화에 대한 최근 연구와 잘 일치한다[20, 46]. 또한, PL 분광법의 분석에서 WO₃ 층은 재조합 과정을 촉진하여 개선된 광전환 특성에 기여할 수 있습니다.