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2022-08-23

二维半导体

数字逻辑电路是基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的n型和p型场效应晶体管(FET)的互补对。基于过渡金属二硫化物（TMD）材料家族的二维半导体具有理想的属性，如原子薄体和无悬垂键等，可用于下一代电子产品。在三维半导体中，受主或施主杂质的替代掺杂被用来实现p型和n型场效应晶体管。然而，二维过渡金属二硫化物( 二维材料TMDs )等低维半导体的p型可控掺杂已被证明具有挑战性。当金属接触在 2D MoS₂和其他TMD上蒸发时，会产生界面缺陷，将费米能级固定在导带附近，因此最常见的是n型器件。低接触电阻vdW触点可以取消固定费米能级，从而可以在 2D TMD上实现高性能 n 型和双极器件。虽然有可能在二维材料TMDs上实现高质量、低电阻的n型范德华( vdW )接触，但从蒸发高功函数金属到二维材料TMDs上获得p型器件至今尚未实现。

关键问题：

虽然TMD材料是理想的电子器件，但是TMD的可控制备过程中仍存在以下问题：

1、二维TMD的可控替代掺杂具有挑战性

受主或施主杂质的替代掺杂被用来实现p型和n型场效应晶体管的主流手段，然而，二维TMD的可控且可靠的替代掺杂具有挑战性——这使得实现纯p型和 n 型器件以及实现低电阻接触变得困难。

2、尚未实现基于单层的纯p型FET

虽然多层 WSe₂上的p型器件已通过金属接触的机械转移得到证明，但尚未实现基于单层的纯p型 FET。单层MoS₂价带能量位于真空能级以下 > 6 eV，因此制备P型器件更具挑战性。

新思路

有鉴于此， 剑桥大学Manish Chhowalla等人报告了基于工业兼容的电子束蒸发高功函数金属(如Pd和Pt)的单层和少层二硫化钼(MoS₂)和钨二硒化物(WSe₂)上的高性能p型器件。利用原子分辨率成像和光谱，展示了近乎理想的vdW界面，而2D TMD和3D金属之间没有化学相互作用。电子输运测量结果表明，基于vdW触点的p型 FET在室温下具有3.3 kΩ·μm的低接触电阻，约190 cm²-V^-1s^-1的高迁移率值，饱和电流超过>10^-5 A μm^-1。还展示了一种基于n型和p型vdW触点的超薄光伏电池，开路电压为0.6 V，功率转换效率为0.82%。

技术方案：

1、制备了高功函数金属触点的p型FET

作者通过金属蒸发沉积制备了Pt、Pd和Au触点的p型FET，通过对比明确p型行为与金属高功函数密切相关，通过界面结构表征证实了洁净的vdW界面处化学结构。

2、表征了p型FET的电性能

作者对制造的FET进行了电性能测量，结果表明了FET的转移和输出特性以p型为主，并对空穴电流和电子电流进行了定量测量，解析了金属触点对p型特性的影响。

3、展示了n型和p型vdW触点集成的2D TMD

利用用于电子注入的铟合金vdW接触（n 型）和基于Pt和Pd的高功函数 vdW接触用于空穴注入（p 型，在同一个2D TMD上实现金属-半导体-金属 (MSM) 二极管，该器件整流比高，在光照下会产生显着的光电流，制备的超薄光伏电池表现出大的开路电压和转化效率。

技术优势：

1、实现了单层p型器件的制备

作者通过高功函数金属蒸发到单层和多层二维TMD上，通过控制制备温度，实现了洁净vdM触点的清洁，最终实现了纯的p型FET器件，并发现了金属的功函数对vdM触点的影响。

2、展示了近乎理想的vdW界面，在室温下表现低接触电阻

基于vdW触点的p型FET在室温下具有3.3 kΩ·μm的低接触电阻，约190 cm²-V^-1s^-1的高迁移率值，饱和电流超过>10^-5 A μm^-1。本工作中高功函数金属触点提供了与转移金属触点相当的器件性能，并且远低于报道的蒸发接触电阻。

3、实现了基于n型和p型触点的超薄光伏电池

作者在超薄光伏和光电二极管中将n型和p型vdW触点集成到2D TMD上，在同一个 2D TMD上实现金属-半导体-金属 (MSM)二极管，其整流比高达10⁶。在所测量器件中最大开路电压为0.6 V，功率转换效率为0.82%。MoS₂和WSe₂器件的光电二极管特性是已报道中最高的。

技术细节

制备具有Pd或Pt触点的p型FET

通过将Pt和Pd(以及其他金属，如Au)蒸发到单层和多层二维TMD(如MoS₂和WSe₂)上，通过确保器件温度保持接近室温，从而最大限度地减少界面上的损伤，可以实现对vdW触点的清洁。通过STEM、XPS和EELS中的环形暗场成像表征了蒸发的高功函数金属和二维TMD半导体之间的界面，还展示了具有 Au触点的器件，发现尽管Au与 MoS₂和WSe₂形成干净的触点，但与Pd和Pt相比，p型行为受到其相对较低的功函数的限制。此外，作者证实了Pd与少层MoS₂形成干净的vdW接触，界面处硫原子和钯原子之间的间距为2.3±0.1Å，且不存在化学键。

图 金属-半导体界面的原子分辨率成像和化学分析

P型FET的电测量

作者使用高功函数金属作为触点和少层2D MoS₂和WSe₂作为半导体通道制造的FET的电性能进行了测量。结果表明，在层数较少的MoS₂上沉积Pd，导致FET的转移和输出特性以p型为主，饱和空穴电流达到~ 4µA/µm，而饱和电子电流仍为~ 0.1µA/µm。MoS₂的空穴迁移率为45±5cm²V^-1s^-1。通过测量作为温度函数的FET特性以提取空穴肖特基势垒，发现对于少层MoS₂上的 Pd接触，其为500±50 meV。通过使用栅极电压调制费米能级，可以使用大的肖特基势垒实现p型操作，这表明 Pd/2D MoS₂ 界面是干净的，费米能级是可调控的。纯p型FET具有3.07×10^-4A的极高饱和空穴电流，并且在少层 WSe₂ 上使用Pt触点无法实现可测量的电子电流。纯p型行为在温度低至70 K时仍然存在。在开/关比为10⁷的情况下获得了190±10 cm² V^-1s^-1 的迁移率值。空穴肖特基势垒高度为200±20 meV，这导致空穴的有效注入的重要势垒。此外，作者通过比较不同金属触点证明了触点是如何影响p型特性的，结果表明，接触对器件的极性有主要影响，而衬底影响空穴电流水平。具有Pd触点的 WSe₂ FET较差的p型特性是由于Pd金属和 WSe₂之间的化学相互作用造成的。

图 具有Pd和Pt触点的多层MoS₂和WSe₂器件

具有高功函数金属触点的CVD生长单层MoS₂和WSe₂

作者在通过化学气相沉积 (CVD)生长的单层 TMD 上实现了高功函数vdW接触。WSe₂上的Pt和MoS₂上的P的横截面ADF原子分辨率图像和具FET的典型转移曲线表明该器件表现出纯 p 型行为，具有约7.6 µA/µm 的高饱和空穴电流。发现单层器件的迁移率范围为10-40 cm²V^-1s^-1。TLM结果表明，单层WSe₂ FET的接触电阻约为229 kΩ·µm。与多层 WSe₂相比，更高的接触电阻是由于空穴注入的更高价带边缘导致更高的肖特基势垒高度。获得了具有~0.008µA/µm空穴电流的p型行为，表明了可以在CVD生长的MoS₂和 WSe₂单层上使用高功函数金属制造干净的vdW接触，以实现p型FET。

图 具有高功函数金属触点的CVD生长单层MoS₂和WSe₂

n型和p型vdW触点集成的2D TMD

作者利用用于电子注入的铟合金vdW接触（n型）和基于Pt和Pd的高功函数vdW接触用于空穴注入（p型），在同一个2D TMD 上实现金属-半导体-金属 (MSM) 二极管。In/Au-MoS₂-Pd 器件的FET输出曲线在所有栅极电压下都表现出二极管特性，整流比高达10⁶。在光照下会产生显着的光电流，并获得约0.5±0.03V的开路电压。相应的功率转换效率为~0.40±0.02%。由 In/Au-WSe₂-Pt 组成的类似器件在不同的栅极电压下也表现出类似二极管的行为，整流比高达10⁷。在这些器件中测得的开路电压更大（0.6±0.03 V），这导致更高的转换效率，为0.82 ± 0.05%。光电二极管的响应度为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别为 4.1% 和7.7%。MoS₂和WSe₂器件的光电二极管特性（功率输出、功率转换效率、响应度和外部量子效率）是报道中最高的。

图 用于MoS₂和WSe₂的具有不对称电极的金属-半导体-金属光电二极管

展望

本工作证明了高功函数金属如Pd, Pt和Au在少量和单层MoS₂和WSe₂上的洁净vdW接触。这些触点导致了单层MoS₂上的p型特征和WSe₂上的纯p型特征。结果还表明，费米能级是不固定的，可以用栅极电压调制。用n型和p型触点实现了P-N二极管。该发现将使基于二维材料的下一代电子技术在目前互补的p-n场效应晶体管范式下得以实现。

参考文献：