Transistores de Efeito de Campo de Nanoflocos de SnSe de Alto Desempenho com Contatos Ôhmicos de Ouro de Baixa Resistência

Resumo

Relatamos cristais únicos de monosseleneto de estanho (SnSe) do tipo p, crescidos em ampolas de quartzo duplamente seladas usando uma técnica de Bridgman modificada a 920 °C. Medidas de difração de raios X em pó (XRD) e espectroscopia de raios X por energia dispersiva (EDX) confirmam claramente que o SnSe crescido consiste em SnSe monocristalino. O transporte elétrico de nanoflocos de SnSe multicamadas, preparados por esfoliação de cristais únicos em massa, foi conduzido usando estruturas de transistor de efeito de campo (FET) com porta traseira com contatos Au e Ti em substratos SiO₂/Si, revelando que nanoflocos de SnSe multicamadas exibem características de semicondutor tipo p devido a vacâncias de Sn nas superfícies dos nanoflocos de SnSe. Além disso, um forte efeito de blindagem de portadores foi observado em FETs de nanoflocos de SnSe com 70-90 nm de espessura. Ademais, o efeito dos contatos metálicos em FETs baseados em nanoflocos de SnSe multicamadas também é discutido com dois metais diferentes, como contatos Ti/Au e Au.

Introdução

Calcogenídeos de metais de transição oferecem uma gama de bandgaps ópticos, o que torna esses materiais adequados para uso em várias aplicações ópticas e optoeletrônicas. Filmes finos desses materiais, incluindo PbTe, PbSe e Bi₂Se₃, atraíram considerável atenção devido ao seu uso prospectivo em dispositivos optoeletrônicos infravermelhos, detectores de radiação, células solares, dispositivos de memória e dispositivos de gravação holográfica. Monosseleneto e disseleneto de estanho (SnSe e SnSe₂) estiveram no centro das atenções da pesquisa, devido aos seus altos coeficientes de absorção, o que é vantajoso para aplicações optoeletrônicas. Além disso, esses materiais são promissores para uso em aplicações termoelétricas. Monosseleneto de estanho (SnSe) é um semicondutor tipo p com bandgap para transições indiretas permitidas próximo a ~0,9 eV e para transições diretas permitidas próximo a ~1,2 eV, enquanto disseleneto de estanho (SnSe₂) é um semicondutor tipo n. A estrutura cristalina do SnSe é ortorrômbica, e seus parâmetros de célula unitária são a = 11,496 Å, b = 4,151 Å e c = 4,444 Å; esta estrutura ortorrômbica se transforma em uma estrutura tetragonal a alta temperatura que é, no entanto, menor que o ponto de fusão do SnSe₂.

Recentemente, dispositivos elétricos baseados em calcogenídeos binários e dicloretos de Sn, incluindo transistores de efeito de campo (FETs) com uma grande porta traseira de área comum, foram extensivamente investigados. Em particular, muito progresso foi feito na caracterização de FETs baseados em SnSe₂. Em 2016, Pei et al. relataram um FET de SnSe₂ de poucas camadas, demonstrando uma alta razão on/off de ~10⁴ com uma camada superior de capping de um eletrólito de polímero. Guo et al. também relataram um FET de SnSe₂ de poucas camadas de alta mobilidade com espessura de ~8,6 nm. De trabalhos anteriores, confirmou-se que filmes finos de SnSe de baixa concentração de portadores produzem alta mobilidade e razão de corrente on/off de FETs de SnSe₂. Apesar desses esforços na utilização de SnSe₂, no entanto, a caracterização elétrica de FETs de SnSe, preparados por esfoliação de cristais únicos, não foi relatada. Uma caracterização detalhada do transporte elétrico em flocos de SnSe₂ de poucas e múltiplas camadas tem que ser realizada para avaliar as propriedades de transporte elétrico de calcogenídeos de estanho, como nanoflocos de SnSe, porque cristais únicos de SnSe são esperados para exibir uma alta mobilidade de portadores de ~7835 cm²/V s.

Neste trabalho, caracterizamos SnSe monocristalino crescido usando um método de Bridgman modificado. O transporte elétrico em FETs de nanoflocos de SnSe multicamadas preparados por esfoliação de cristais únicos em massa foi caracterizado pela primeira vez usando estruturas de FET com porta traseira em substratos SiO₂/Si. Além disso, o efeito de contatos metálicos em FETs baseados em nanoflocos de SnSe multicamadas também foi estudado para dois tipos diferentes de contatos (Ti/Au e Au) porque a função de trabalho do metal de contato determina a condução de portadores de lacunas através da barreira de Schottky na interface metal-nanofloco de SnSe.

Métodos

SnSe tem uma estrutura cristalina ortorrômbica em camadas à temperatura ambiente. A Figura 1a–c mostra as vistas em perspectiva da estrutura cristalina do SnSe ao longo das direções dos eixos a, b e c. Como mostrado na Fig. 1c, as lâminas de SnSe com camada de dois átomos são sulcadas, enquanto a clivagem fácil nos cristais ocorre ao longo do plano (100) (Fig. 1b). Cristais únicos de SnSe foram crescidos usando o método de Bridgman modificado, como descrito anteriormente. Quantidades estequiométricas de Sn (99,999% shot, Alfa Aesar) e Se (99,999% pó, Alfa Aesar) foram primeiro fundidas em um lingote (~20 g) em uma ampola de quartzo duplamente selada. As matérias-primas foram lentamente aquecidas a 500 °C e mantidas por 10 h, então mantidas a 920 °C por 10 h adicionais antes de desligar o forno. O lingote obtido foi moído em pó e preenchido em um tubo de quartzo em forma de cone, evacuado e selado à chama. Este tubo de quartzo em forma de cone carregado foi colocado em um tubo de quartzo maior. O tubo externo foi preenchido com gás Ar para prevenir explosão e oxidação, e então selado à chama. A ampola de quartzo carregada foi colocada na posição em que o gradiente de temperatura era o maior no forno de tubo vertical. O forno de tubo vertical foi lentamente aquecido a 970 °C por 20 h, mantido por 10 h, e então resfriado a 830 °C à taxa de 0,5 °C/h. O forno foi mantido a 830 °C por 24 h adicionais e então resfriado a 500 °C à taxa de 100 °C/h antes de desligar o forno.

Resultados e Discussão

Um cristal de SnSe em forma de cone (diâmetro, 30 mm; comprimento, 70 mm) foi obtido e mostrado na Fig. 1d–e. O cristal obtido foi dividido em duas peças devido a uma trinca que ocorreu durante a extração do cristal da ampola de quartzo (Fig. 1d). A qualidade dos cristais de SnSe crescidos foi verificada usando um difratômetro de raios X em pó (XRD, New D8-Advance, Bruker-AXS, Alemanha) com Cu Kα (λ = 1,5406 Å). A Figura 2a mostra o padrão XRD do arquivo de difração de pó (PDF) 48-1224 para SnSe ortorrômbico, junto com o padrão para o eixo cristalográfico a, que é perpendicular ao plano clivado (100) do cristal de SnSe. Como mostrado na Fig. 2a, o padrão XRD de SnSe monocristalino sugere fortemente um cristal ortorrômbico de fase única com grupo espacial Pnma, indicando uma forte orientação preferida com reflexões (h00), que está em bom acordo com um relatório anterior. Além disso, os picos predominantes foram (400) e (800), a 2θ = 31,081° e 64,818°, respectivamente, como mostrado na Fig. 2a. Como mostrado na Fig. 2b, a espectroscopia de raios X por energia dispersiva (EDX) revelou a razão atômica Sn:Se de 1:1, confirmando a razão estequiométrica de Sn e Se (inseto da Fig. 2b). Insetos da Fig. 2b também mostram uma imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) e mapeamento EDX de um FET de nanofloco de SnSe com espessura de dispositivo de 90 nm. Este resultado está em bom acordo com relatórios anteriores. Além disso, a condutividade elétrica de SnSe monocristalino (inseto da Fig. 2b) foi medida para temperaturas variando de 30-300 K, usando o método convencional de quatro pontas. A Figura 2c mostra a condutividade elétrica dependente da temperatura de cristais únicos de SnSe ao longo de três direções cristalográficas diferentes, indicando comportamentos dependentes de temperatura e anisotropia semelhantes devido a diferentes mobilidades de lacunas em SnSe ao longo das diferentes direções axiais. Como mostrado na Fig. 2c, a condutividade elétrica ao longo dos eixos b- e c- a 300 K foi determinada como ~6,00 S cm⁻¹, que é ~2,2 vezes maior que a do eixo a (~2,7 S cm⁻¹). Este resultado está em bom acordo com resultados anteriores para SnSe monocristalino. Na Fig. 2c, a condutividade elétrica dependente da temperatura de SnSe monocristalino é mostrada para a faixa de semicondutor (30-100 K) e para a faixa metálica (>100-300 K). Acima de 100 K, os cristais de SnSe crescidos exibiram comportamento de transporte metálico, consistente com observações anteriores.

Dispositivos FET de SnSe foram fabricados da seguinte forma. Primeiro, nanoflocos de SnSe foram esfoliados mecanicamente sobre um substrato SiO₂/p⁺⁺ Si de 300 nm de espessura a partir de cristais únicos de SnSe, facilmente clivados no plano (100) usando o conhecido método de fita adesiva (Fig. 1e). Medidas de transporte elétrico em FETs individuais de nanoflocos de SnSe como preparados foram realizadas à temperatura ambiente na configuração de FETs com porta traseira. A Figura 3a mostra esquematicamente dispositivos FET baseados em nanoflocos de SnSe com uma grande porta traseira de área. Neste estudo, dois nanoflocos de SnSe (nanoflocos de SnSe de 70 e 90 nm de espessura) foram preparados no substrato SiO₂/Si. Os FETs de SnSe foram fabricados usando o método padrão de litografia por feixe de elétrons seguido por dois tipos de metalização, ou seja, Au (espessura, 100 nm) e Ti/Au (espessuras, 10/100 nm) foram considerados como contatos ôhmicos em nanoflocos de SnSe. Antes do processo de metalização, gravação de óxido tamponado (BOE) foi realizada para remover resíduos de polímero e óxido nas superfícies dos nanoflocos. A Figura 3b mostra uma imagem óptica de um FET de nanofloco de SnSe com espessura de dispositivo de 90 nm. As espessuras dos nanoflocos de SnSe foram medidas usando um microscópio de força atômica (AFM) à temperatura ambiente (Fig. 3c–d). Como mostrado na Fig. 3b e inseto da Fig. 2b, o FET de SnSe de 90 nm fabricado tinha comprimento de canal (L) de 5 µm e largura (W) de 4,71 µm, enquanto para o FET de SnSe de 70 nm L era 5 µm e W era 6 µm. Todas as características corrente-tensão (I-V) foram medidas usando um analisador de parâmetros semicondutores (HP 4155C, Agilent Technologies, EUA) em uma estação de sonda eletricamente blindada à temperatura ambiente. A Figura 4a mostra a corrente de dreno (Id) como função da tensão de porta (Vg), para o nanofloco de SnSe de 90 nm de espessura, para as tensões fonte-dreno (Vds) de -30, 0 e 30 V, à temperatura ambiente, indicando um claro comportamento de semicondutor tipo p, que é principalmente atribuído às vacâncias de Sn, como relatado anteriormente. O resultado na Fig. 4a implica que o Au metálico com sua alta função de trabalho é esperado para formar contatos ôhmicos fracos em nanoflocos de SnSe, indicando uma barreira de Schottky mais baixa para a banda de condução de nanoflocos de SnSe. Uma discussão mais detalhada, para funções de trabalho de diferentes metais, será fornecida mais tarde. A Figura 4b mostra Id vs. Vds para diferentes Vg, variando de -40 a 40 V, em passos de 10 V. Da Fig. 4b, a mobilidade de lacunas (μp) é determinada como ~2,7 cm²/V s, obtida de μp = tm[L/(WCoxVds)], onde tm é a transcondutância (=dId/dVg = 2,89 × 10⁻⁸ A/V), L é o comprimento (~5,1 µm), W é a largura (~4,75 µm), Vds é a tensão dreno-fonte (~1 V) do FET de SnSe, e Cox (=εrε0/d = 11,5 nF/cm²) com εr (constante dielétrica) de 3,9 e d (espessura da camada de óxido) de 300 nm é a capacitância por unidade de área do FET de nanofloco de SnSe com porta traseira. A mobilidade de lacunas avaliada dos FETs de nanoflocos de SnSe esfoliados mecanicamente é muito menor que a de filmes finos de SnSe epitaxiais (~60 cm²/V s) preparados por deposição a laser pulsado em substratos MgO usando alvos ricos em Se. No entanto, o valor obtido aqui é ~1,8 vezes maior que o obtido para nanoplacas de SnSe monocristalino (~1,5 cm²/V s). Tal mobilidade de lacunas relativamente baixa pode ser atribuída a um forte espalhamento de fônons devido às vacâncias de Sn na superfície do SnSe e uma barreira de Schottky relativamente alta na interface Au metal-nanofloco de SnSe.

Além disso, observamos um fraco ajuste de porta da condutância na região de depleção da curva Id vs. Vds (Fig. 4c) e uma baixa razão de corrente on/off (~2 a Vds de 1 V, insetos da Fig. 4c) no FET de nanofloco de SnSe tipo p com contatos metálicos Au. Um comportamento similar foi relatado para outros materiais semicondutores bidimensionais (2D) com espessura similar, incluindo FETs de SnS (espessura, ~50-80 nm), nanoplacas de SnSe de ~15,8 nm, MoS₂ de ~80 nm e SnSe₂ de ~84 nm. Esses comportamentos podem ser explicados pelo efeito de comprimento de blindagem de portadores finito devido à existência de uma camada condutora superficial superficial em dispositivos FET com espessuras maiores que o comprimento de blindagem (√(εKB T)/e²p), onde ε, KB e p são a constante dielétrica do semicondutor, constante de Boltzmann e densidade de portadores de lacunas, respectivamente.

Contatos metálicos determinam importantemente as características de dispositivos FET 2D. Para determinar o efeito das funções de trabalho dos metais em SnSe, consideramos Au (função de trabalho, ~5,1 eV) e Ti (função de trabalho, ~4,3 eV) como contatos metálicos em nanoflocos de SnSe. A Figura 4c mostra curvas típicas de Id vs. Vds sem modulação de porta (Vg = 0) para FETs de nanofloco de SnSe com contatos Au e Ti, indicando uma resistência geral mais alta para Ti (~15,4 MΩ) comparada com a de Au (~0,56 MΩ). Assim, a barreira de Schottky na interface metal-SnSe é mais alta para Ti (Fig. 4c). Este comportamento é sempre observado em todos os FETs de SnSe com contatos Ti. Como mostrado na Fig. 4d, a altura da barreira de Schottky para lacunas aumenta à medida que a função de trabalho do metal diminui. Assim, metais como Pd, Au e Pt, com grandes funções de trabalho, podem ser adequados como contatos ôhmicos em FETs de nanofloco de SnSe tipo p porque para esses metais, a altura da barreira de Schottky para injeção de lacunas será menor. A resistência de contato deve ser medida para metais adicionais, para determinar sua adequação como contatos metálicos em nanoflocos de SnSe. Esta questão está sendo atualmente abordada usando o método de comprimento de transferência.

Conclusões

Em resumo, nanoflocos de SnSe multicamadas foram crescidos, esfoliados e caracterizados para canais de FET de SnSe com uma estrutura de FET com porta traseira em substratos SiO₂/Si. Medidas de transporte elétrico demonstraram que nanoflocos de SnSe multicamadas com contatos metálicos Au exibem características de semicondutor tipo p com uma barreira de Schottky relativamente baixa e baixa resistência de contato em FETs de nanofloco de SnSe esfoliados. Além disso, enfatizamos que este estudo é o primeiro a relatar FETs baseados em nanoflocos de SnSe esfoliados mecanicamente e estamos confiantes de que nossos FETs de nanofloco de SnSe são muito promissores para dispositivos elétricos 2D, bem como para aplicações de colheita de energia, incluindo geração futura de termoeletricidade.