Mobiliser les effets dans quelques p couches

AbstractHere, nous présentons une comparaison dépendant de la température (T) entre l'effet de champ et les mobilités de Hall dans des transistors à effet de champ sur la base de quelques couches WSe2 exfoliées sur SiO2. Sans ingénierie diélectrique et au-delà d'une tension de seuil dépendante de T, on observe des mobilités de trous maximales approchant 350cm2 / Vs à T = 300K. Le trou La mobilité Hall atteint une valeur maximale de 650cm2 / Vs lorsque T est abaissé en dessous de 150K, ce qui indique que, dans la mesure où les transistors à effet de champ basés sur WSe2 (FET) affichent les plus grandes mobilités de Hall parmi les dichlorogénures de métaux de transition. La capacité de la porte, telle qu'elle est extraite de l'effet Hall, révèle la présence de charges parasites dans le canal, tandis que la résistivité de deux feuilles terminales affiche un comportement de sauts de gamme variable à deux dimensions, indiquant la localisation du porteur induite par un désordre à l'interface entre WSe2 et SiO2. En s'approchant de ceux de Si dopé, ce qui en fait un candidat approprié pour l'opto electronics haute performance. Les transistors à effet d'entrée (FET) basés sur les dichlorogénures de métaux de transition exfoliés (TMD) 1,2,3,4 se sont révélés prometteurs à faible puissance Des dispositifs de commutation et donc des composants potentiels pour les écrans à cristaux liquides à haute résolution et aux diodes électroluminescentes organiques, en particulier sous leur forme multicouches5. Les dichlorogénures de métaux de transition en vrac (TMD) cristallisent dans la structure prismatique '2H' ou trigonomique (groupe spatial P63 / mmc),replique van cleef arpels bracelet, dans laquelle chaque métal de transition est entouré de six atomes de chalcogénure définissant deux prims triangulaires. Des avions étendus, faiblement ou Der Waals couplé, résultent de la tessellation de cette unité de base. Les plans contigus sont décalés l'un par rapport à l'autre (le long de l'axe a et de l'axe b), donc la cellule unitaire est composée de deux plans avec une distance inter-couche dépendante du métal de transition C) On s'attend à ce que les couches liées par voie covalente présentent une cristallinité élevée, bien que, comme dans le graphite / le graphène, on puisse s'attendre à une mosaïque cristallographique entre des plans empilés le long de l'axe c. De même que le graphite, des composés tels que MoS2, WS2, etc., sont superposés exfoliés Matériaux caractérisés par un faible couplage inter planar van der Waals1. Contrairement au graphène, ils présentent des écarts de bande indirects allant de 1 à 2eV qui deviennent directs en laye atomique unique Rs6, ce qui en fait des candidats prometteurs pour les applications. Étudies7 sur les transistors à effet de champ (FET) basés sur des monocellules WSe2 en vrac utilisant du parylène comme diélectrique de porte, révélent des mobilités d'effet de champ de température ambiante approchant celles de p Si8 mais avec un petit courant ON / OFF rapport. Les recherches suivantes9 sur les flocons MoS2 exfoliés mécaniquement composés de dixième de couches atomiques et de SiO2 comme diélectriques de grille, ont révélé des mobilités nettement inférieures (10 50cm2 / Vs), ce qui suggère soit une différence remarquable de mobilité entre MoS2 et WSe2, soit qu'un choix inadéquat de diélectriques de grille Peuvent entraver leur performance. Plus récemment10, il a été suggéré que des mobilités de support d'effet de champ supérieures à 1000 cm2 / Vs pourraient être réalisées dans des FET MoS2 à une seule couche, à une seule couche, par l'utilisation d'une porte supérieure composée d'un diélectrique élevé tel que HfO2. Néanmoins, on a soutenu qu'il s'agissait d'une valeur de mobilité surestimée en raison du couplage capacitif entre les portes supérieures et arrières11, ce qui est soutenu par des rapports ultérieurs de mobilités beaucoup plus petites dans des dispositifs similaires lorsque la capacité de grille est extraite d'une étude d'effet Hall12 , 13. On a également récemment fait valoir que les phonons éloignés à partir de couches diélectriques telles que HfO2, peuvent limiter la mobilité des transporteurs et nécessiteraient l'utilisation d'une couche interfaciale pour absorber la plus grande partie de l'énergie vibratoire14. Néanmoins, ces observations ont déjà conduit au développement de circuits intégrés basés sur single15 et sur bi-layered16 MoS2. Des études récentes en MoS2 à simple ou double couche ont révélé des mobilités de Hall qui augmentent fortement avec la tension de grille, saturant à des valeurs maximales entre 200 et 375 cm2 / V à basse température17. Dans MoS2 multicouches, on a constaté que la mobilité Hall augmentait de 175cm2 / Vs à 60K à 311cm2 / Vs à T = 1K à des tensions de porte arrière aussi grandes que 100V18. Cependant, des écarts marqués ont été signalés entre l'effet de champ mesuré et les mobilités de Hall17, ce qui, à la lumière des Ref. 11,12,13 pourrait être attribué à des valeurs sous-estimées pour les capacités de la porte. De même, les recherches antérieures sur le graphène, une grande partie de l'effort actuel sur les FET à base de TMD est axée sur la compréhension du rôle joué par les substrats, les conditions de recuit et les fonctions de travail de Les contacts métalliques. Par exemple, on a récemment fait valoir que la plupart des mobilités indiquées ci-dessus sont déterminées par les barrières Schottky au niveau des contacts actuels qui limitent la densité actuelle qui peut être extraite de ces transistors. 19 font valoir que les petites barrières de Schottky et, par conséquent, les contacts à peu près ohmiques dans les FET basés sur les TMD, ne peuvent être obtenus que grâce à l'utilisation de métaux avec de petites fonctions de travail telles que Sc. En outre, en raison du rôle préjudiciable joué par les substrats de SiO2, Réf. 19 constate que les mobilités les plus élevées (175cm2 / Vs) peuvent être obtenues dans les FET construits sur des flocons de 10nm (15 couches) d'épaisseur. Des mobilités dépendant de l'épaisseur ont également été récemment signalées pour des transistors à base de MoS2 utilisant du méthacrylate de polyméthyle (PMMA) comme diélectriques de grille20. Les FET à haute performance TMD ont été prétendus susceptibles d'avoir un impact majeur dans l'optoélectronique de faible puissance5,21,22,23. Ici, pour évaluer cette assertion, nous étudions et comparons les effets de champ et les mobilités de Hall dans les transistors à effet de champ basés sur des WSE2 peu étendus exfoliés sur SiO2, en constatant qu'ils peuvent afficher des mobilités de trous de température ambiante approchant ceux de Si8 dopé avec un grand ON à OFF (> 106) et des fluctuations de sous-seuil pointues (allant de 250 à 140 mV par décennie). Cette observation est remarquable étant donné que i) la mobilité des transporteurs devrait être limitée par la diffusion de intrinsic24 ainsi que par les phonons de substrat, ii) les barrières de Schottky aux contacts n'ont pas encore été optimisées et, comme nous montrons iii), la présence de charge Les pièges et les troubles à l'interface entre WSe2 et SiO2 devraient limiter la mobilité du transporteur. Les améliorations apportées à la fabrication des appareils peuvent conduire à des performances améliorées par rapport à ces valeurs, ouvrant des perspectives prometteuses pour les applications optoélectroniques. Les résultats et les figures de discussion 1a et b montrent respectivement une micrographie d'un dispositif typique dont les résultats expérimentaux seront discutés tout au long de ce manuscrit et Croquis d'une configuration à quatre terminaux pour les mesures de conductance. Les bornes de source I + et de drain I, ainsi que les paires de contacts de tension 1, 2 et 3, 4 sont indiqués. Rxy ou l'effet Hall). La figure 1b montre un profil de microscopie à force atomique et une image (insertion) à partir de laquelle nous extrayons une épaisseur de flocons de 8nm, soit environ 12 couches atomiques. Nous avons choisi de nous concentrer sur les FET multi-couches car nos observations préliminaires concordent avec celles de Refs. 19, 20, indiquant que les mouvements les plus élevés sont observés dans les flocons avec des épaisseurs comprises entre 10 et 15 couches atomiques, comme le montre la Fig. 1d. En outre, comme l'a expliqué le Ref. 5 flocons multicouches devraient conduire à des transistors à couches minces produisant des courants d'entraînement plus élevés par rapport aux transistors basés sur des couches atomiques uniques, ce qui pourrait rendre les FET multicouches plus appropriés pour les écrans à haute résolution à cristaux liquides et aux diodes électroluminescentes organiques5. Nos flocons ont été exfoliés mécaniquement et transférés sur une couche de SiO2 de 270nm d'épaisseur sur un Si dopé, utilisé comme porte arrière. Tout au long de cette étude, nous nous concentrons sur des appareils d'épaisseurs allant de 9 à 15 couches. Trois des appareils ont été recuits à 150 ° C, sous vide poussé pendant 24h, ce qui, comme indiqué dans la Réf. 17, entraîne des mobilités plus élevées, en particulier à basse température. Nous avons trouvé une réponse globale très similaire parmi les échantillons non recuits, ainsi qu'avec les recuits.Figure 1 (a) Micrographie de l'un de nos transistors à effet de champ WSe2 sur une couche de SiO2 de 270nm d'épaisseur sur Si dopé. Les contacts (Ti / Au) utilisés pour injecter le courant électrique (Ids) sont indiqués par les étiquettes I + (source) et I (drain), tandis que la résistivité du périphérique xx a été mesurée soit par la paire de contacts de tension marqués comme 1 Et 2 ou paire 3 et 4. La résistance Hall Rxy a été mesurée avec une excitation AC soit à travers les deux contacts 1 et 3 ou 2 et 4. La longueur l du canal ou la séparation entre les contacts actuels est l = 15,8 M alors que la largeur du canal est w = 7,7 m. (B) Profil de hauteur (le long de la ligne bleue indiquée dans l'encart) indiquant une épaisseur de 80, ou environ 12 couches atomiques pour le cristal dans (a). Insertion: image microscopique à force atomique recueillie à partir d'un bord latéral du cristal WSe2 dans (a). (C) Esquisse de vue latérale de notre transistor à effet de champ, indiquant que les pads Ti / Au contactent toutes les couches atomiques et la configuration expérimentale des mesures. (D) La mobilité de l'effet de champ à température ambiante FE en fonction de l'épaisseur de cristal extraite de plusieurs FET basés sur WSe2 exfoliés sur SiO2. La mobilité maximale est observée pour 12 couches atomiques. Lors de l'utilisation d'une configuration à 2 terminaux. À partir des études initiales7, mais contrairement aux Réf. Un courant important résultant de l'accumulation d'électrons ou de trous à l'interface WSe2 / SiO2 en raison de l'effet de champ électrique. Saturant à 108A) à des valeurs Vbg positives en contraste avec les échantillons recouverts d'Al2O3, voir Réf. 26. Courants importants uniquement pour les tensions de grille négatives). À la température ambiante, le courant minimum est observé autour de Vbg 0V alors que la différence de courant entre le transistor dans son état 'ON' par rapport à OFF (rapport marche / arrêt) est> 106. Pour toutes les mesures, le courant maximal du canal était limité afin d'éviter d'endommager nos FET. L'oscillation sous-seuil SS se révèle être de 250mV par décennie, ou 3,5 fois plus grande que les plus petites valeurs extraites des MOSFET de Si à température ambiante. La figure 2b montre la conductivité = Ids l / Vdsw (de a), en fonction de Vbg pour plusieurs valeurs de Vds. Comme indiqué dans la légende de la Fig. 1 la séparation entre les contacts actuels,van cleef and arpels bracelet imitation, est l = 15,8 m tandis que la largeur du canal est w = 7,7 m. Comme on l'a vu, toutes les courbes s'effondrent sur une seule courbe indiquant un comportement linéaire, malgré le rôle revendiqué pour les barrières de Schottky au niveau des contacts19. Voir aussi la section Informations supplémentaires pour les caractéristiques de tension de courant linéaire pour la gamme de tensions d'excitation utilisées. Figure 2c: la mobilité de l'effet de champ FE peut être évaluée de manière standard en normalisant par la valeur de la capacité de la grille (cg = 12.789 109F / cm2) la dérivée de la conductivité par rapport à Vbg. Comme on l'a vu, FE augmente nettement au-dessus de Vbg 2V atteignant un maximum de 305cm2 / Vs à Vbg 20V, diminuant à nouveau au-delà de cette valeur. En variante, la mobilité peut être évaluée directement par la pente des Ids en fonction de Vbg dans son régime linéaire et en la normalisant par les facteurs géométriques de l'échantillon, la tension d'excitation Vbg et la capacité de la porte cg, donnant une valeur de crête FE 302cm2 / Contre. Nous avons observé des valeurs de FE égales à 350 cm2 / V (voir les résultats pour l'échantillon 2 ci-dessous). Ces valeurs, résultant de deux mesures terminales, sont comparables à celles précédemment rapportées par nous pour MoS2 multicouches, où nous avons utilisé une configuration à quatre terminaux pour éliminer le rôle préjudiciable joué par les contacts moins que les contacts idéaux27. Respectivement 5 (ligne bleu foncé), 26 (rouge), 47 (bleu), 68 (magenta) et 90 mV (marron), entre le drain et les contacts source. Notez que le rapport ON / OFF approche 106 et le seuil inférieur SS 250 mV par décennie. Nous avons évalué la résistance Rc des contacts en effectuant également 4 mesures terminales (voir la figure 7a ci-dessous) par Rc = Vds / Ids xx l / w, où xx est la résistivité de la feuille du canal mesurée dans une configuration à quatre terminaux. Nous avons trouvé que le rapport Rc / xx 20 reste presque constant en fonction de Vbg. (B) Conductivité = S l / w, où la conductance S = Ids / Vds (de (a)), en fonction de Vbg et pour plusieurs valeurs de Vds. Notez comment toutes les courbes s'effondrent sur une seule courbe, ce qui indique une dépendance linéaire sur Vds. Comme indiqué ci-dessous, cette dépendance linéaire résulte très probablement d'une émission thermionique à travers la barrière de Schottky au niveau des contacts. (C) Mouvement d'effet de champ FE = (1 / cg d / dVbg en fonction de Vbg, où cg = r0 / d = 12.789 109F / cm2 (pour ad = couche de SiO2 épaisseur 270nm). (D) Ids en fonction de Vbg, lors de l'utilisation d'une tension d'excitation Vds = 5mV. La ligne rouge est un ajustement linéaire dont la pente produit une mobilité effet de champ FE 300cm2 / Vs.Figures 3a, b,van cleef and arpel bracelet replique, c et d montrent respectivement Ids en fonction de Vbg pour plusieurs valeurs De Vds, les conductivités correspondantes en fonction de Vbg et la mobilité résultante de l'effet de champ comme précédemment extrait à travers les figures 2c et d. Toutes les courbes ont été acquises à T = 105K. Comme on le voit, à des températures plus basses (T, Vbg) Une dépendance linéaire sur Vds bien que les Ts inférieurs soient moins favorables pour le transport thermiquement activé à travers les barrières de Schottky. Il dépasse 650cm2 / Vs (accompagné d'une réduction de la SS jusqu'à 140mV par décennie). Cependant, comme on le voit à la figure 3a, plus bas Les températures augmentent la tension de la porte de seuil Vtbg requise pour la conduction du transporteur. Ensuite, nous soutenons que c'est le résultat D'un rôle de premier plan joué par le désordre et / ou les pièges de charge à l'interface entre WSe2 et SiO2 au lieu d'être simplement un effet associé aux barrières de Schottky. Les grandes barrières de Schottky devraient conduire à des Ids de courant non linéaires en fonction des caractéristiques de la tension d'excitation Vds, avec des ID importants n'émergeant que lorsque Vds surpasse une valeur de seuil déterminée par la barrière d'énergie caractéristique de Schottky, comme on l'a vu par exemple dans la Réf. 28. Mais selon les Fig. 2b et 3b, est fondamentalement indépendant sur Vds au-dessus d'une tension de grille de seuil, même à des températures plus basses. Figure 3 (a) Ids de courant dans une échelle logarithmique extraite du même FET WSe2 dans la Fig. Respectivement 5 (ligne bleu foncé), 26 (rouge), 47 (magenta), 68 (jaune foncé) et 90 mV (brun). Notez que le rapport ON / OFF approche encore 106. (b) Conductivité en fonction de Vbg pour plusieurs valeurs de Vds. Notez que, même au bas de Ts, toutes les courbes s'effondrent sur une seule courbe. Notez comment la tension de la porte de seuil Vtbg pour la conduction augmente de 0V à 300K à 15V à 105K. Ci-dessous, nous soutenons que l'observation de, et l'augmentation de Vtbg en tant que T est abaissée, correspond à la preuve de la localisation des charges dans le canal. (C) Mouvement d'effet de champ FE = (1 / cg) d / dVbg en fonction de Vbg. (D) Ids en fonction de Vbg, lors de l'utilisation d'une tension d'excitation Vds = 5mV. La ligne rouge est un ajustement linéaire dont la pente produit une mobilité à effet de champ FE 665cm2 / Vs. La figure 4a montre Ids en fonction de Vbg pour plusieurs températures et pour le cristal représenté sur la Fig. 1a. Figue. 4b montre la mobilité FE d'effet de champ résultante en fonction de T extraite des pentes d'Ids (Vbg, T). On observe une augmentation de FE, atteignant un maximum de 650cm2 / Vs à T 100K, diminuant par la suite à des valeurs de 250cm2 / V à basse température. Les marqueurs d'orange représentent FE pour un deuxième échantillon recuit dont la mobilité Hall est discutée ci-dessous. Cette diminution est attribuable aux facteurs extrinsèques, tels que les résidus chimiques du processus lithographique, car le recuit des échantillons sous vide poussé pendant au moins 24h augmente considérablement la mobilité à faible Ts17, comme cela sera illustré par les résultats présentés ci-dessous pour un deuxième échantillon recuit de cette façon. La figure 4c montre FE en fonction de Vbg pour plusieurs températures (extraite des courbes en a). Toutes les courbes montrent un maximum à une valeur dépendante de Vbg. Comme on l'a vu,bracelet van cleef occasion imitation, l'effet principal de l'abaissement de T est d'augmenter le seuil de la tension de retour Vtbg pour la conduction du transporteur. 29 ont été en mesure d'estimer la taille de son intervalle semiconducteur, en raison approximativement de la différence entre les tensions de seuil requises respectivement pour le trou et la conduction d'électrons ou 1,4 V. Les valeurs Vtbg beaucoup plus grandes observées par nous dans WSe2 sont attribuables à des effets intrinsèques et extrinsèques, tels que des postes vacants et des pièges de charge, ce qui limite la mobilité des transporteurs de manière particulièrement pertinente à basse température, voir la discussion ci-dessous. Au premier coup d'œil, à faible tension de grille semble suivre un comportement activé avec un petit écart d'activation. D'autre part, à des températures élevées et des tensions de grille élevées, affiche un comportement métallique similaire, généralement défini par / T> 0. La ligne magenta est une adaptation à une simple dépendance linéaire de la température, suggérant soit un état métallique non conventionnel, soit très probablement la diffusion de phonons .Figure 4 (a) Ids en fonction de la tension de grille Vbg pour plusieurs températures T et pour une tension d'excitation Vds = 5mV. Sur les pentes de l'ajustement linéaire (ligne rouge), on extrait les valeurs respectives de la mobilité FE d'effet de champ en fonction de la température indiquée en (b). Les marqueurs d'orange représentent FE pour un deuxième échantillon recuit. On voit que la mobilité des effets de champ augmente continuellement à mesure que la température est abaissée à T = 105K, au-delà de laquelle elle diminue fortement. (C) FE = (1 / cg) d / dVbg extrait des courbes dans (a). Notez que FE continue de saturer à une valeur de 300cm2 / Vs à T = 5K. 20, 30 et 40 V, respectivement (comme extrait des données dans (a) ou (c)). La ligne magenta correspond à un ajustement linéaire, décrivant le comportement de la résistivité métallique, définie par / T> 0, observée à des températures plus élevées lorsque Vbg = 40V. Comme on l'a observé aux fig. 4a et c, la tension de porte de seuil Vtbg requise pour observer une augmentation finie de 5 à 35V lorsque T est descendu de 300 à 5K. Afin de clarifier la dépendance de Vtbg sur T, nous supposons que Vtbg est dominé par un désordre à l'interface entre WSe2 et SiO2 qui conduit à la localisation des charges. Pour illustrer ce point, à la Fig. 5 nous tracons (T) en fonction de T1 / 3 car, d'après l'expérience passée sur les MOSFET Si / SiO2, il est bien connu que des charges parasites intrinsèques à la couche de SiO2 30,31,32, en plus de la rugosité à l'interface entre le Si Et le SiO233 vitreux, produit une localisation de charge conduisant à une conductivité de sauts de gamme variable: (T) = 0 exp (T0 / T) 1 / (1 + d) où d est la dimensionnalité du système, ou d = 2 dans notre cas34. Comme on le voit sur la Fig. 5, on observe un passage croisé de type métallique à une conductivité flottante bidimensionnelle à distance variable (2DVRH) en dessous d'une température dépendant de la tension de grille; Les lignes rouges sont des ajustements linéaires. À des tensions de grille inférieures, le régime 2DVRH est observé sur toute la gamme des températures. Par conséquent, malgré le régime de transport linéaire et les mobilités relativement importantes observées dans les Fig. 1 à 4, ce graphique indique très clairement que, en dessous de Vtbg, les porteurs dans le canal sont localisés en raison du désordre. Notez que des conclusions similaires ont également été rapportées à partir de mesures sur MoS235. Bien que, pour l'instant, nous n'ayons pas une compréhension expérimentale claire sur le type et sur le rôle concomitant du désordre dans ces systèmes (ce qui permettrait une compréhension théorique plus profonde sur l'origine de la localisation), le parcours expérimental ci-dessus est sans ambiguïté en révélant Le mécanisme de conduction prédominant pour les tensions de grille inférieure à une valeur de seuil. = 1 / (à partir des données de la figure 4 d, acquises sous Vds = 5mV) dans une échelle logarithmique en fonction de T1 / 3. Les lignes rouges sont des ajustements linéaires, ce qui indique que, aux T inférieurs et aux tensions de grille inférieures à une valeur de seuil dépendante de la température, Vtbg (T), (T) suit la dépendance attendue pour le sautage bidimensionnel de la gamme variable. Maintenant, nous sommes en mesure d'expliquer qualitativement T dépendance de Vtbg: les processus à activation thermique favorisent les transporteurs à travers un bord de mobilité qui définit la limite entre les états électroniques étendus et une queue dans la densité des états composés d'états électroniques localisés. À des températures plus élevées, plus de transporteurs sont excités thermiquement à travers la mobilité e