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二維半導(dǎo)體

數(shù)字邏輯電路是基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)的n型和p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的互補(bǔ)對(duì)。基于過渡金屬二硫化物（TMD）材料家族的二維半導(dǎo)體具有理想的屬性，如原子薄體和無懸垂鍵等，可用于下一代電子產(chǎn)品。在三維半導(dǎo)體中，受主或施主雜質(zhì)的替代摻雜被用來實(shí)現(xiàn)p型和n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。然而，二維過渡金屬二硫化物( 二維材料TMDs )等低維半導(dǎo)體的p型可控?fù)诫s已被證明具有挑戰(zhàn)性。當(dāng)金屬接觸在 2D MoS₂和其他TMD上蒸發(fā)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生界面缺陷，將費(fèi)米能級(jí)固定在導(dǎo)帶附近，因此最常見的是n型器件。低接觸電阻vdW觸點(diǎn)可以取消固定費(fèi)米能級(jí)，從而可以在 2D TMD上實(shí)現(xiàn)高性能 n 型和雙極器件。雖然有可能在二維材料TMDs上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低電阻的n型范德華( vdW )接觸，但從蒸發(fā)高功函數(shù)金屬到二維材料TMDs上獲得p型器件至今尚未實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵問題：

雖然TMD材料是理想的電子器件，但是TMD的可控制備過程中仍存在以下問題：

1、二維TMD的可控替代摻雜具有挑戰(zhàn)性

受主或施主雜質(zhì)的替代摻雜被用來實(shí)現(xiàn)p型和n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的主流手段，然而，二維TMD的可控且可靠的替代摻雜具有挑戰(zhàn)性——這使得實(shí)現(xiàn)純p型和 n 型器件以及實(shí)現(xiàn)低電阻接觸變得困難。

2、尚未實(shí)現(xiàn)基于單層的純p型FET

雖然多層 WSe₂上的p型器件已通過金屬接觸的機(jī)械轉(zhuǎn)移得到證明，但尚未實(shí)現(xiàn)基于單層的純p型 FET。單層MoS₂價(jià)帶能量位于真空能級(jí)以下 > 6 eV，因此制備P型器件更具挑戰(zhàn)性。

新思路

有鑒于此， 劍橋大學(xué)Manish Chhowalla等人報(bào)告了基于工業(yè)兼容的電子束蒸發(fā)高功函數(shù)金屬(如Pd和Pt)的單層和少層二硫化鉬(MoS₂)和鎢二硒化物(WSe₂)上的高性能p型器件。利用原子分辨率成像和光譜，展示了近乎理想的vdW界面，而2D TMD和3D金屬之間沒有化學(xué)相互作用。電子輸運(yùn)測(cè)量結(jié)果表明，基于vdW觸點(diǎn)的p型 FET在室溫下具有3.3 kΩ·μm的低接觸電阻，約190 cm²-V^-1s^-1的高遷移率值，飽和電流超過>10^-5 A μm^-1。還展示了一種基于n型和p型vdW觸點(diǎn)的超薄光伏電池，開路電壓為0.6 V，功率轉(zhuǎn)換效率為0.82%。

技術(shù)方案：

1、制備了高功函數(shù)金屬觸點(diǎn)的p型FET

作者通過金屬蒸發(fā)沉積制備了Pt、Pd和Au觸點(diǎn)的p型FET，通過對(duì)比明確p型行為與金屬高功函數(shù)密切相關(guān)，通過界面結(jié)構(gòu)表征證實(shí)了潔凈的vdW界面處化學(xué)結(jié)構(gòu)。

2、表征了p型FET的電性能

作者對(duì)制造的FET進(jìn)行了電性能測(cè)量，結(jié)果表明了FET的轉(zhuǎn)移和輸出特性以p型為主，并對(duì)空穴電流和電子電流進(jìn)行了定量測(cè)量，解析了金屬觸點(diǎn)對(duì)p型特性的影響。

3、展示了n型和p型vdW觸點(diǎn)集成的2D TMD

利用用于電子注入的銦合金vdW接觸（n 型）和基于Pt和Pd的高功函數(shù) vdW接觸用于空穴注入（p 型，在同一個(gè)2D TMD上實(shí)現(xiàn)金屬-半導(dǎo)體-金屬 (MSM) 二極管，該器件整流比高，在光照下會(huì)產(chǎn)生顯著的光電流，制備的超薄光伏電池表現(xiàn)出大的開路電壓和轉(zhuǎn)化效率。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

1、實(shí)現(xiàn)了單層p型器件的制備

作者通過高功函數(shù)金屬蒸發(fā)到單層和多層二維TMD上，通過控制制備溫度，實(shí)現(xiàn)了潔凈vdM觸點(diǎn)的清潔，最終實(shí)現(xiàn)了純的p型FET器件，并發(fā)現(xiàn)了金屬的功函數(shù)對(duì)vdM觸點(diǎn)的影響。

2、展示了近乎理想的vdW界面，在室溫下表現(xiàn)低接觸電阻

基于vdW觸點(diǎn)的p型FET在室溫下具有3.3 kΩ·μm的低接觸電阻，約190 cm²-V^-1s^-1的高遷移率值，飽和電流超過>10^-5 A μm^-1。本工作中高功函數(shù)金屬觸點(diǎn)提供了與轉(zhuǎn)移金屬觸點(diǎn)相當(dāng)?shù)钠骷阅埽⑶疫h(yuǎn)低于報(bào)道的蒸發(fā)接觸電阻。

3、實(shí)現(xiàn)了基于n型和p型觸點(diǎn)的超薄光伏電池

作者在超薄光伏和光電二極管中將n型和p型vdW觸點(diǎn)集成到2D TMD上，在同一個(gè) 2D TMD上實(shí)現(xiàn)金屬-半導(dǎo)體-金屬 (MSM)二極管，其整流比高達(dá)10⁶。在所測(cè)量器件中最大開路電壓為0.6 V，功率轉(zhuǎn)換效率為0.82%。MoS₂和WSe₂器件的光電二極管特性是已報(bào)道中最高的。

技術(shù)細(xì)節(jié)

制備具有Pd或Pt觸點(diǎn)的p型FET

通過將Pt和Pd(以及其他金屬，如Au)蒸發(fā)到單層和多層二維TMD(如MoS₂和WSe₂)上，通過確保器件溫度保持接近室溫，從而最大限度地減少界面上的損傷，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)vdW觸點(diǎn)的清潔。通過STEM、XPS和EELS中的環(huán)形暗場(chǎng)成像表征了蒸發(fā)的高功函數(shù)金屬和二維TMD半導(dǎo)體之間的界面，還展示了具有 Au觸點(diǎn)的器件，發(fā)現(xiàn)盡管Au與 MoS₂和WSe₂形成干凈的觸點(diǎn)，但與Pd和Pt相比，p型行為受到其相對(duì)較低的功函數(shù)的限制。此外，作者證實(shí)了Pd與少層MoS₂形成干凈的vdW接觸，界面處硫原子和鈀原子之間的間距為2.3±0.1?，且不存在化學(xué)鍵。

圖 金屬-半導(dǎo)體界面的原子分辨率成像和化學(xué)分析

P型FET的電測(cè)量

作者使用高功函數(shù)金屬作為觸點(diǎn)和少層2D MoS₂和WSe₂作為半導(dǎo)體通道制造的FET的電性能進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明，在層數(shù)較少的MoS₂上沉積Pd，導(dǎo)致FET的轉(zhuǎn)移和輸出特性以p型為主，飽和空穴電流達(dá)到~ 4μA/μm，而飽和電子電流仍為~ 0.1μA/μm。MoS₂的空穴遷移率為45±5cm²V^-1s^-1。通過測(cè)量作為溫度函數(shù)的FET特性以提取空穴肖特基勢(shì)壘，發(fā)現(xiàn)對(duì)于少層MoS₂上的 Pd接觸，其為500±50 meV。通過使用柵極電壓調(diào)制費(fèi)米能級(jí)，可以使用大的肖特基勢(shì)壘實(shí)現(xiàn)p型操作，這表明 Pd/2D MoS₂ 界面是干凈的，費(fèi)米能級(jí)是可調(diào)控的。純p型FET具有3.07×10^-4A的極高飽和空穴電流，并且在少層 WSe₂ 上使用Pt觸點(diǎn)無法實(shí)現(xiàn)可測(cè)量的電子電流。純p型行為在溫度低至70 K時(shí)仍然存在。在開/關(guān)比為10⁷的情況下獲得了190±10 cm² V^-1s^-1 的遷移率值。空穴肖特基勢(shì)壘高度為200±20 meV，這導(dǎo)致空穴的有效注入的重要?jiǎng)輭尽４送猓髡咄ㄟ^比較不同金屬觸點(diǎn)證明了觸點(diǎn)是如何影響p型特性的，結(jié)果表明，接觸對(duì)器件的極性有主要影響，而襯底影響空穴電流水平。具有Pd觸點(diǎn)的 WSe₂ FET較差的p型特性是由于Pd金屬和 WSe₂之間的化學(xué)相互作用造成的。

圖 具有Pd和Pt觸點(diǎn)的多層MoS₂和WSe₂器件

具有高功函數(shù)金屬觸點(diǎn)的CVD生長單層MoS₂和WSe₂

作者在通過化學(xué)氣相沉積 (CVD)生長的單層 TMD 上實(shí)現(xiàn)了高功函數(shù)vdW接觸。WSe₂上的Pt和MoS₂上的P的橫截面ADF原子分辨率圖像和具FET的典型轉(zhuǎn)移曲線表明該器件表現(xiàn)出純 p 型行為，具有約7.6 μA/μm 的高飽和空穴電流。發(fā)現(xiàn)單層器件的遷移率范圍為10-40 cm²V^-1s^-1。TLM結(jié)果表明，單層WSe₂ FET的接觸電阻約為229 kΩ·μm。與多層 WSe₂相比，更高的接觸電阻是由于空穴注入的更高價(jià)帶邊緣導(dǎo)致更高的肖特基勢(shì)壘高度。獲得了具有~0.008μA/μm空穴電流的p型行為，表明了可以在CVD生長的MoS₂和 WSe₂單層上使用高功函數(shù)金屬制造干凈的vdW接觸，以實(shí)現(xiàn)p型FET。

圖 具有高功函數(shù)金屬觸點(diǎn)的CVD生長單層MoS₂和WSe₂

n型和p型vdW觸點(diǎn)集成的2D TMD

作者利用用于電子注入的銦合金vdW接觸（n型）和基于Pt和Pd的高功函數(shù)vdW接觸用于空穴注入（p型），在同一個(gè)2D TMD 上實(shí)現(xiàn)金屬-半導(dǎo)體-金屬 (MSM) 二極管。In/Au-MoS₂-Pd 器件的FET輸出曲線在所有柵極電壓下都表現(xiàn)出二極管特性，整流比高達(dá)10⁶。在光照下會(huì)產(chǎn)生顯著的光電流，并獲得約0.5±0.03V的開路電壓。相應(yīng)的功率轉(zhuǎn)換效率為~0.40±0.02%。由 In/Au-WSe₂-Pt 組成的類似器件在不同的柵極電壓下也表現(xiàn)出類似二極管的行為，整流比高達(dá)10⁷。在這些器件中測(cè)得的開路電壓更大（0.6±0.03 V），這導(dǎo)致更高的轉(zhuǎn)換效率，為0.82 ± 0.05%。光電二極管的響應(yīng)度為17.6 mA W^-1和 33.1 mA W^-1，In-MoS2-Pd和In-WSe2-Pt器件的外部量子效率分別為 4.1% 和7.7%。MoS₂和WSe₂器件的光電二極管特性（功率輸出、功率轉(zhuǎn)換效率、響應(yīng)度和外部量子效率）是報(bào)道中最高的。

圖 用于MoS₂和WSe₂的具有不對(duì)稱電極的金屬-半導(dǎo)體-金屬光電二極管

展望

本工作證明了高功函數(shù)金屬如Pd, Pt和Au在少量和單層MoS₂和WSe₂上的潔凈vdW接觸。這些觸點(diǎn)導(dǎo)致了單層MoS₂上的p型特征和WSe₂上的純p型特征。結(jié)果還表明，費(fèi)米能級(jí)是不固定的，可以用柵極電壓調(diào)制。用n型和p型觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了P-N二極管。該發(fā)現(xiàn)將使基于二維材料的下一代電子技術(shù)在目前互補(bǔ)的p-n場(chǎng)效應(yīng)晶體管范式下得以實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：