ReSe₂-Au 접합, 273-340K 구간에서 강한 정류 현상 나타내

요약

2차원 물질의 쇼트키 효과는 나노스케일 전자공학에 중요합니다. ReSe₂ 플레이크를 Au 싱크와 Au 나노필름 사이에 현탁 전달했습니다. 이 소자는 처음에 ReSe₂ 플레이크의 수송 특성 측정을 위해 설계되었으나, 273-340K에서 정류 거동이 관찰되었습니다. 정류 계수는 약 10입니다. 미세구조와 원소 조성을 체계적으로 분석했습니다. 45° 경사 SEM 이미지에서 ReSe₂ 플레이크와 Au 필름이 Si 기판과 접촉함이 확인되었습니다. ReSe₂/Si와 Si/Au 접촉은 각각 p-n 헤테로접합과 쇼트키 콘택트입니다. 두 접촉의 비대칭성이 정류 거동을 초래합니다. 열전자 방출 이론 기반 예측이 실험 데이터와 잘 일치합니다.

서론

금속-반도체 접촉의 정류 거동(전류가 인가 전압 방향에 따라 변함)은 쇼트키 장벽 다이오드, 전계효과 트랜지스터(FET), 금속-산화막-반도체 FET에 널리 사용됩니다. 쇼트키는 이러한 계면의 반도체 측 고갈층으로 거동을 설명했습니다. 금속과 반도체 간 전자 일함수 차이가 쇼트키 효과라 명명된 정류 거동을 유도합니다. 금속과 2차원(2D) 반도체 물질 간 접촉은 금속이 n형 2D 반도체보다 높은 일함수를 가지거나 p형 2D 반도체보다 낮을 때 쇼트키 콘택트가 됩니다. 금속/2D 물질의 쇼트키 효과는 마이크로 광검출기, 마이크로 FET, 가스 센서, 포토트랜지스터 등에 크게 응용됩니다. 2D 물질 중 전이금속 칼코게나이드(TMD)는 크기 있는 밴드갭을 가지며, 두께가 단일층으로 줄어들면 밴드갭이 간접에서 직접으로 전이해 주목받습니다. 밴드갭은 TMD가 FET, 태양전지 등에 사용됨을 보장합니다. TMD는 열전 분야에도 사용되며 넓은 관심을 끌었습니다. MoS₂, MoSe₂, WSe₂, WS₂ 등 많은 TMD의 특성과 응용 탐구 실험이 수행되었습니다. Lopez-Sanchez 등은 MoS₂로 초고감도 단일층 포토트랜지스터를 만들었습니다. Britnell 등은 WS₂/그래핀 헤테로구조를 만들어 광전 소자 응용을 시연했습니다. WSe₂는 양극성 반도체로 이중 정전기 게이트로 제어해 발광 다이오드를 제작했습니다. TMD 중 ReSe₂는 d 오비탈에 추가 전자를 가진 VII족 TMD로 강한 면내 이방성을 보여 다른 VI족 TMD와 다릅니다. ReSe₂의 특수한 밴드 구조로 인해 전기적 특성 탐구 연구는 소수입니다. ReSe₂/WS₂ p-n 헤테로접합과 ReSe₂/MoS₂ p-n 헤테로접합으로 전류 정류를 탐구했습니다. ReSe₂/금속 또는 ReS₂/금속 같은 금속/반도체 접촉 전기적 특성 조사를 위해 FET를 제작했습니다.

본 서신에서는 ReSe₂ 플레이크를 Au 싱크와 Au 나노리본 전극 사이에 현탁시켰습니다. 소자는 원래 ReSe₂ 플레이크의 열적 및 전기적 전도도 측정을 위해 설계되었습니다. 측정은 340K, 310K, 280K, 273K에서 수행했습니다.

실험 방법

먼저 Au 전극이 있는 Si 기판을 제작했습니다. 400μm 두께 비도핑 Si 기판을 초기 세정 후 산화해 180nm 두께 SiO₂ 층을 형성하고, 스핀 코팅으로 320nm 두께 전자빔 레지스트를 SiO₂ 표면에 증착했습니다. 전자빔 리소그래피로 준비된 패턴에 물리 기상 증착으로 Au를 증착해 Au 나노전극과 Au 나노필름을 제작했습니다. 포토레지스트 현상액에 시료를 넣어 전자빔 레지스트를 식각하고 Au 전극과 필름을 남겼습니다. 마지막으로 완충 플루오르화수소산으로 SiO₂ 층을 식각하고, CF₄ 플라즈마로 Au 나노필름 하부의 Si 층을 식각해 Si 기판 위 약 6μm에 현탁 나노필름을 제작했습니다.

ReSe₂ 플레이크는 구리 기판에서 화학 기상 전이로 합성했습니다. 습식 전사법으로 ReSe₂ 플레이크를 Au 전극에 전사해 Au-ReSe₂-Au 접촉을 제작했습니다. ReSe₂ 나노리본과 구리 기판을 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 코팅하고 식각 용액에 띄워 구리 기판을 식각했습니다. 구리 기판을 벗겨낸 후 PMMA 코팅 ReSe₂ 플레이크를 고정점 전사 플랫폼으로 Au 나노전극이 있는 Si 기판 위로 정확히 이동시켰습니다. 이후 레이저로 PMMA를 자르고 PMMA 코팅 ReSe₂ 플레이크가 Au 나노필름과 Au 나노전극 사이에 현탁되도록 착지시켰습니다. 마지막으로 수산화칼륨 용액 욕조에 3시간 담가 PMMA를 제거했습니다. 기판에 수직인 시야에서 본 제작된 Au 전극-ReSe₂ 플레이크-Au 나노리본(Au-ReSe₂-Au) 접합의 SEM 이미지는 그림 1a에 나와 있습니다. ReSe₂ 플레이크는 B 구간에서 Au 나노리본과, C 구간에서 Au 전극과 접촉합니다. 그림 1b는 측정 소자의 개략도입니다.

A-B-C 방향을 양의 방향(또는 그 반대)으로 정의하고 직류를 인가했습니다. Au-ReSe₂-Au 접합 양단의 전압 V는 고정밀 디지털 멀티미터(Keitheley 2002, 8.5자리)로 측정했으며, 직렬 기준 저항 양단 전압 측정으로 전류 I를 결정했습니다. 양자 설계 물리 특성 측정 시스템에서 다양한 온도에서 Au-ReSe₂-Au 접합의 순방향 및 역방향 전압에 대한 I-V 곡선을 측정했습니다.

결과 및 논의

그림 2는 273K, 280K, 310K, 340K에서 측정된 I-V 곡선을 보여줍니다. 모든 측정 온도에서 I-V 곡선의 유의미한 비대칭성이 관찰되어 이례적인 정류 거동을 나타냅니다. 각 온도에서 277mV와 -277mV의 전류로 정류 비율을 계산했으며, 정류 비율은 약 10입니다. 주어진 전압에서 전류는 온도 상승에 따라 증가합니다.

이례적인 정류 메커니즘을 탐구하기 위해 ReSe₂ 플레이크 미세구조를 원자력 현미경[(AFM), Cypher, Oxford Instruments]과 라만 분광계(Jovin Yvon T64000, 여기 파장 532nm)로 분석했습니다. ReSe₂ 플레이크의 AFM 이미지는 그림 3a-c에, 백색 선을 따른 단면 높이 프로파일 기반 평균 두께는 28nm로 결정되었습니다. 최대 13개 예상 선으로 구성된 강한 신호 강도의 라만 스펙트럼(그림 3d)은 Wolverson 등[4]의 검출 스펙트럼과 잘 일치하며, 현재 ReSe₂ 플레이크의 삼방정계 결정 구조를 드러냅니다.

그림 4는 ReSe₂ 플레이크와 Au 나노필름이 Si 기판과 접촉함을 보여주는 45° 경사 SEM 이미지입니다. 이전 연구[20]에서 ReSe₂-Au 접촉은 옴접촉으로 나타났으며, 이는 본 실험의 정류 거동 원인이 아닙니다. 회로는 Au-ReSe₂-Au와 Au-ReSe₂-Si-Au 접합으로 구성됩니다. 그림 5는 회로 개략도입니다. Si-Au 접촉은 쇼트키 콘택트로 나타났습니다[21].

그림 6은 에너지 분산 분광법(EDS) 데이터입니다. ReSe₂의 맵 합 스펙트럼은 구간 1과 2에서 획득했습니다. 평균 화학식은 ReSe_1.67로 ReSe₂보다 Re 비율이 높아 ReSe₂ 플레이크에 p형 반도체 특성을 부여합니다. 따라서 ReSe₂-Si 접촉은 p-n 헤테로접합이며 정류 거동을 보입니다. 두 정류 콘택트의 비대칭성이 겉보기 정류 거동을 초래합니다.

쇼트키 콘택트와 p-n 헤테로접합 모두에서 전류는 다음 식에 의해 결정됩니다[22,23]:

$$ I={I}_0{e}^{qV/ nkT}\left(1-{e}^{- qV/ kT}\right) $$ (1)

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

여기서 I₀는 포화 전류, q는 전자 전하, k는 볼츠만 상수, V는 접합 양단 인가 전압, A는 접촉 면적, A^*는 유효 리차드슨 상수, Φ_B는 겉보기 장벽 높이, T는 측정 온도입니다. 온도 의존적 이상성 인자 n은 접촉이 이상적 쇼트키 콘택트에서 벗어난 정도를 나타냅니다.

식 (1) 기반 계산으로 정류 거동 분석을 검증했습니다. ReSe₂-Si 접촉 전류 I₁과 Si-Au 접촉 전류 I₂는 다음과 같이 표현됩니다:

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

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

그림 7은 수치 결과가 실험 데이터와 잘 일치함을 보여줍니다. 수치 파라미터는 표 1에 나와 있습니다. ReSe₂-Si 접촉의 역포화 전류가 Si-Au 접촉보다 큰데, 이는 그림 4에서 보듯 ReSe₂-Si 접촉 면적이 훨씬 크기 때문입니다. 두 접촉의 역포화 전류 모두 온도 상승에 따라 증가해, 식 (2)에서 보듯 두 접촉의 전기 전도도 모두 정류 거동을 보입니다.

ReSe₂-Si 접촉의 이상성 인자가 Si-Au 접촉보다 큰데, 이는 다른 접촉 조건과 결정 구조 때문입니다. 그림 4에서 식각 용액으로 인해 Si 기판 표면이 거칠어 ReSe₂-Si 접촉이 불균일해집니다. 불균일 접촉은 큰 이상성 인자를 유도합니다[24,25]. 거친 표면은 다수의 트랩 상태를 생성해 큰 이상성 인자를 만듭니다[26]. 또한 다른 접촉 유형이 다른 이상성 인자를 만듭니다. ReSe₂-Si 접촉은 p-n 헤테로접합이고 ReSe₂와 Si는 삼방정계와 면심입방정계로 결정 구조가 다릅니다. 격자 부적합은 항상 에지 전위를 유도[27]하고 높은 밀도의 트랩 상태를 생성[26]해 ReSe₂-Si 접촉이 이상적 접촉에서 벗어나 큰 이상성 인자를 갖게 합니다[27]. Si-Au는 금속-반도체 접촉으로 Si 결정 구조가 이상성 인자에 미치는 영향이 적습니다. 두 접촉의 이상성 인자는 온도에 따라 거의 변하지 않습니다. 이는 Khurelbaatar 등[28]이 보고한 식 (5)로 설명됩니다:

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

식 (5)는 이상성 인자가 온도에 반비례함을 보입니다. 이상성 인자는 저온에서만 온도 상승에 따라 유의미하게 감소하며 300K 이상에서는 천천히 변합니다[28,29]. 그러나 표 1에서 보듯 역포화 전류는 이상성 인자와 달리 온도에 따라 유의미하게 증가합니다. 이는 식 (2)로 설명됩니다. 식 (2)에 따르면 T²와 exp(-qΦ_B/kT)가 온도 상승에 따라 증가하므로 역포화 전류는 온도 상승에 따라 증가합니다. exp(-qΦ_B/kT)와 -qΦ_B/kT의 지수 관계로 인해 exp(-qΦ_B/kT)는 온도 상승에 따라 유의미하게 증가합니다. Zhu 등[30] 연구에 따르면 실험에서 273K와 295K의 Au/Si 접촉 qΦ_B는 각각 0.77eV와 0.79eV입니다. 계산 결과 295K의 역포화 전류가 273K의 6배로, 역포화 전류가 온도 상승에 따라 유의미하게 증가하는 이유를 설명합니다.

결론

결론적으로, Au 기판과 Au 나노필름 사이에 현탁된 ReSe₂ 플레이크 접촉에서 다양한 온도에서 정류 거동이 관찰되었습니다. 45° 경사 시야의 현탁 ReSe₂ 플레이크 SEM 이미지는 ReSe₂ 플레이크와 Au 나노필름이 Si 기판과 접촉함을 보여주며, EDS 맵은 원소 조성 ReSe_1.67을 나타냈습니다. ReSe₂ 플레이크와 Si 기판 간 접촉이 정류 거동의 원인입니다. ReSe₂-Si와 Si-Au 접촉은 모두 정류 콘택트로 또 다른 회로를 형성하며, 두 접촉의 비대칭성이 겉보기 정류 거동을 초래합니다. Si-Au 쇼트키 콘택트와 ReSe₂-Si p-n 헤테로접합을 고려한 쇼트키 전류 방정식 기반 계산 결과가 실험 결과와 잘 일치합니다.

약어

2D:

이차원

AFM:

원자력 현미경

EDS:

에너지 분산 분광법

FET:

전계효과 트랜지스터

PMMA:

폴리메틸메타크릴레이트

SEM:

주사전자현미경

TMD:

전이금속 칼코게나이드