低电阻金欧姆接触赋能高性能SnSe纳米片场效应晶体管

摘要

本文报道采用改进布里奇曼法在920°C双封石英安瓿中生长p型单晶锡硒（SnSe）。X射线粉末衍射（XRD）和能量色散X射线光谱（EDX）确认生长SnSe为单相单晶。通过机械剥离制备多层SnSe纳米片，构建SiO₂/Si衬底背栅场效应晶体管（FET），分别采用Au和Ti/Au接触电极表征电输运性能。结果表明：多层SnSe纳米片表现出p型半导体特性，源于表面锡空位；70-90 nm厚度器件观察到强载流子屏蔽效应；Au接触比Ti/Au接触呈现更低肖特基势垒和接触电阻，更适合p型SnSe器件。

研究背景

过渡金属硫族化物具有可调光学带隙，适用于红外光电、辐射探测、太阳能电池、存储及全息记录等器件。锡硒（SnSe）和锡二硒（SnSe₂）因高吸收系数受关注，且在热电应用极具潜力。SnSe为p型半导体，间接带隙~0.9 eV，直接带隙~1.2 eV；SnSe₂为n型。SnSe室温下斜方晶系，晶格常数a=11.496 Å，b=4.151 Å，c=4.444 Å，高温转变为四方晶系。

近年来，基于Sn基二元硫族化物的电学器件（特别是大面积背栅FET）研究取得长足进展。SnSe₂基FET表现出高开关比（~10⁴）和高迁移率。理论预测单晶SnSe载流子迁移率高达~7835 cm²/V·s，但此前未见从单晶剥离制备的SnSe纳米片FET电输运表征。本工作首次表征机械剥离多层SnSe纳米片FET电输运，并系统研究金属接触功函数对器件性能的影响。

实验方法

SnSe室温下层状斜方晶结构（图1a-c）。(100)面易劈解（图1b,c）。单晶生长采用改进布里奇曼法：Sn（99.999%）和Se（99.999%）按化学计量比在双封石英安瓿中熔融成锭（~20 g），缓慢加热至500°C保温10 h，再升至920°C保温10 h。所得锭研磨成粉末装入锥形石英管，抽真空熔封。锥形管置于外层石英管，外管充Ar气防爆防氧化后熔封。双管安瓿置于垂直管式炉温度梯度最大处，缓慢加热至970°C（20 h），保温10 h，以0.5°C/h降至830°C保温24 h，再以100°C/h降至500°C停炉。

器件制备：机械剥离法将SnSe纳米片转移至300 nm SiO₂/p⁺⁺ Si衬底（图1e）。标准电子束光刻后蒸发两种金属接触：Au（100 nm）和Ti/Au（10/100 nm）。金属化前用缓冲氧化物刻蚀剂（BOE）去除表面聚合物和氧化物残留。器件参数：90 nm厚器件沟道长L=5 µm，宽W=4.71 µm；70 nm厚器件L=5 µm，W=6 µm。室温下用半导体参数分析仪（HP 4155C）在屏蔽探针台测量I-V特性。

结果与讨论

图2a XRD图谱显示单相斜方晶系SnSe（空间群Pnma），强(400)和(800)优选取向峰（2θ=31.081°、64.818°）。图2b EDX显示Sn:Se原子比1:1，符合化学计量比。插图SEM和EDX映射展示90 nm器件形貌。图2c四探针法测30-300 K电导率：三个晶向温度依赖性相似，表现出各向异性。300 K时b/c轴电导~6.00 S/cm，比a轴（~2.7 S/cm）大2.2倍，与文献一致。100 K以上呈金属传输行为，与前人观察一致。

图4a展示90 nm器件Id-Vg曲线（Vds=-30、0、30 V）：明显p型特性，主要归因于Sn空位。高功函数Au（~5.1 eV）预期在SnSe上形成弱欧姆接触，肖特基势垒较低。图4b Id-Vds曲线（Vg=-40至40 V，步进10 V）提取空穴迁移率μp≈2.7 cm²/V·s（跨导gm=2.89×10⁻⁸ A/V，L=5.1 µm，W=4.75 µm，Vds=1 V，Cox=11.5 nF/cm²）。该值远低于外延SnSe薄膜（~60 cm²/V·s），但比单晶SnSe纳米板（~1.5 cm²/V·s）高1.8倍。低迁移率归因于表面Sn空位导致的强声子散射和Au/SnSe界面较高肖特基势垒。

图4c显示耗尽区栅极调制微弱，开关比低（~2，Vds=1 V），类似同厚度其他二维半导体（SnS、MoS₂、SnSe₂）。可用有限载流子屏蔽长度效应解释：器件厚度超过屏蔽长度√(εKBT/e²p)时，表面导电层屏蔽栅极场。

金属接触决定二维FET特性。Au（功函数5.1 eV）和Ti（4.3 eV）对比（图4c）：Vg=0时Ti接触电阻~15.4 MΩ，Au仅~0.56 MΩ，Ti界面肖特基势垒更高。图4d能带图示：金属功函数越小，空穴注入肖特基势垒越高。因此Pd、Au、Pt等大功函数金属适合作为p-SnSe欧姆接触。需用传输长度法测试更多金属接触电阻，正在开展中。

结论

本工作首次实现机械剥离多层SnSe纳米片背栅FET电输运表征。Au接触器件展现p型特性、低肖特基势垒和低接触电阻。研究确立了SnSe纳米片FET作为二维电子器件及能量收集（如未来热电发电）应用的巨大潜力。