過去的十幾年里，二維（2D）過渡金屬硫化物（TMD）被公認(rèn)在未來納米電子學(xué)中存在了巨大的潛力，在材料和器件兩個方面都得到了廣泛的研究。主要的焦點(diǎn)是2D TMD半導(dǎo)體器件，這可能是現(xiàn)有或未來技術(shù)中Z重要的部分。因此，目前為止，已經(jīng)發(fā)表了很多關(guān)于使用2D TMD溝道的金屬絕緣體半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MISFET）的報道，以及它們在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管逆變器中的應(yīng)用。

與此同時，具有范德華（vdW）接口的異質(zhì)結(jié)2D TMD PN（PN）二極管也受到了研究人員的廣泛關(guān)注。這些vdW PN結(jié)接口在設(shè)備運(yùn)行中會經(jīng)歷跨結(jié)的平面外或垂直電流。實(shí)際上，相同的vdW PN結(jié)結(jié)構(gòu)可用于另一個重要的器件應(yīng)用，即結(jié)場效應(yīng)晶體管（JFET），其中平面內(nèi)電流與2D–2D異質(zhì)結(jié)接口一起的形式可能會實(shí)現(xiàn)。然而，盡管一些可能性已經(jīng)在黑磷/氧化鋅納米線結(jié)系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，但似乎尚未報道vdW JFET應(yīng)用。

June Yeong Lim, Minju Kim, Yeonsu Jeong, Kyeong Rok Ko, Sanghyuck Yu, Hyung Gon Shin, Jae Young Moon, Young Jai Choi, Yeonjin Yi, Taekyeong Kim & Seongil Im 研究團(tuán)隊(duì)，將vdW JFET制成了平面半導(dǎo)體器件，在半導(dǎo)體 p-MoTe2（或p-WSe2）和n-MoS2 TMD之間具有異質(zhì)結(jié)。下面就是針對以上研究課題所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程闡述與內(nèi)容討論。

圖1a顯示了研究者在285nm厚的SiO₂/p-Si晶圓上制造的p-MoTe₂/n-MoS₂溝道JFET器件的光學(xué)顯微鏡（OM）圖像。在MoTe₂和MoS₂溝道中，Pt和Au分別用作源/漏歐姆電極。如圖1c的3D示意圖所示，六角形2H-MoS₂溝道在兩個溝道彼此交叉時重疊在2H-MoTe₂上。如圖1b所示，通過顯微拉曼光譜同時清晰地識別出兩個半導(dǎo)體TMD，為此對重疊區(qū)域的ZX點(diǎn)進(jìn)行了探測（請參見圖1a中的紅色點(diǎn)）。由于p溝道和n溝道材料是交叉的，使用Pt和Au電極可能形成了四種不同的PN二極管，并證實(shí)了這種二極管的行為。此外，通過相同的結(jié)構(gòu)，還確認(rèn)了p型和n型MISFET的行為以及傳輸曲線特性中的大滯后現(xiàn)象。

圖1 材料特性和器件示意圖

a.在285nm厚度的SiO₂/p-Si晶片上制造的JFET器件的光學(xué)顯微（OM）圖像。紅色和藍(lán)色虛線分別描繪了MoS₂和MoTe₂覆蓋區(qū)域。比例尺= 5μm。b.從重疊區(qū)域的紅點(diǎn)獲得的拉曼光譜。c. MoS₂和MoTe₂結(jié)器件的3D示意圖?；旧峡梢孕纬伤膫€異質(zhì)結(jié)PN二極管對。d. p-MoTe₂溝道（n-MoS₂柵極）和n-MoS₂溝道（p-MoTe₂柵極）JFET器件的3D截面圖。

根據(jù)JFET結(jié)構(gòu)的OM，進(jìn)行了原子力顯微鏡（AFM；圖2a，b）和掃描開爾文探針顯微鏡（SKPM，圖2c） 對同一裝置的矩形區(qū)域進(jìn)行探測，該矩形區(qū)域包含圖2a所示的四個各自的表面：SiO₂襯底，MoTe₂，MoS₂和MoTe₂上的MoS₂覆蓋層。根據(jù)原子力顯微鏡的結(jié)果（圖像對比度），MoTe₂和MoS₂溝道的厚度分別約為 16nm和6nm。根據(jù)SKPM結(jié)果，單個MoTe₂和MoS₂的功函數(shù)完全相同，為4.54eV，而MoTe₂覆蓋在MoTe₂上的MoS₂的功函數(shù)略高，為4.56eV。略高的值可能是因?yàn)镸oTe₂上的MoS₂不受SiO₂表面上的陷阱電荷的影響，還因?yàn)閮蓚€TMD之間有一些電子電荷轉(zhuǎn)移。根據(jù)SKPM數(shù)據(jù)，我們可以預(yù)期并構(gòu)建MoTe₂/MoS₂ PN結(jié)，MoS₂ n溝道和MoTe₂ p溝道的能帶圖，分別如圖2d-f所示。PN結(jié)應(yīng)在MoTe₂和MoS₂之間包含?0.3nm vdW間隙。在沒有柵偏壓的情況下，溝道幾乎沒有勢壘，而是內(nèi)置勢能（n溝道 qΦi= 0.02eV）。當(dāng)對n溝道的p型柵極施加反向偏壓時，MoS₂溝道應(yīng)該在p柵（重疊）區(qū)域（圖2e）具有能壘，費(fèi)米能量位于該區(qū)域的中間。帶隙，指示電荷載流子耗盡（用于OFF狀態(tài)）。類似地，MoTe₂溝道在施加于p溝道的反向偏壓下，在n柵極區(qū)域（圖2f）具有能壘。如果沒有漏極偏壓電壓，則帶勢壘的能帶圖必須對稱。但是，它在漏極偏壓下會變得不對稱。

圖2 AFM和SKPM的設(shè)備能帶圖

a．JFET結(jié)構(gòu)的2D AFM圖像。b.JFET結(jié)構(gòu)的3D AFM圖像。比例尺= 1μm。c.JFET的SKPM圖像。a圖中的白色虛線框表示AFM和SKPM（a–c）的掃描區(qū)域。d. MoTe₂ / MoS₂，e. MoS₂ n溝道的能帶圖。f. MoTe₂ p溝道的能帶圖。VGn和VGp分別表示施加在n溝道和p溝道上的柵極偏壓

正如平面方向帶圖（圖2e，f）所預(yù)期的那樣，n溝道JFET在圖3a–f中得到了實(shí)驗(yàn)證明。圖3a顯示了另一個JFET的OM圖像，該JFET與圖1a的不同，但具有相似的溝道厚度尺寸：對于MoS₂和MoTe₂溝道，分別為?12和7nm 。圖3d中器件的輸出特性（漏極電流-漏極電壓；ID-VDS）顯示典型晶體管的三個階段：線性（i）、夾斷（ii）和飽和至早期效應(yīng)（iii）。這三個階段通過圖3c中不同VDS下的JFET橫截面示意圖得到了很好的解釋，雖然在圖3b的示意性3D視圖中，器件的每個材料組件通過顏色來識別。圖3c中的橫截面（i）顯示了在微小VDS下用于線性狀態(tài)ID的傳導(dǎo)溝道。隨著VDS向正電壓增加， 漏極側(cè)相對于p柵極產(chǎn)生反向偏壓，在源端保持正向偏壓和溝道開放的情況下發(fā)生不對稱溝道耗盡（交叉陰影區(qū)）。隨著VDS進(jìn)一步增加，n溝道達(dá)到夾斷狀態(tài)（ii）甚至溝道長度（L）調(diào)制（iii）。這種溝道長度調(diào)制導(dǎo)致長度（L′）縮短和電流升高（偏離飽和；早期效應(yīng)）。從另一個JFET（支持信息圖S3a）觀察到，這種溝道調(diào)制在我們的JFET器件中非常普遍。圖3e顯示了傳輸特性（漏極電流-柵極電壓；ID-VGS），其中觀察到良好的開/關(guān) ID比為5×104，SS為?100mV/dec。在圖3e中，柵極漏電流（IG）似乎隨著施加的柵極電壓（VGS）而增大，并且可以肯定地理解為源于n-MoS₂和p-MoTe₂之間的PN結(jié)的正向偏壓引起的漏電流。

圖3 p-MoTe₂/n-MoS₂ JFET的n溝道

a. n溝道JFET的OM圖像。比例尺= 10μm。b. n溝道JFET的簡單3D示意圖。c.根據(jù)（i）微小，（ii）夾斷和（iii）大VDS的2D橫截面設(shè)備視圖以及n溝道設(shè)備b中的白色虛線剖開的視圖。d. n溝道JFET的ID–VDS輸出特性。e. n溝道JFET的ID–VGS傳輸特性。f. n溝道JFET的移動性。紅色和橙色線表示飽和遷移率，黑色星號表示在不同VGS（分別為0.2、0.4、0.6、0.8 V）下的線性遷移率。

JFET的飽和遷移率也是從同一個圖中提取出來的。根據(jù)圖3e，f，閾值電壓和峰值飽和遷移率分別為?0.2V和500–600cm2/V·s。飽和遷移率由以下等式（1）驅(qū)動，該等式需要MoS₂ n溝道中載流子濃度Nd和跨導(dǎo)gm的信息。在圖3e中，我們從轉(zhuǎn)移曲線中提取作為VGS函數(shù)的gm圖。

(1) 因此，可將遷移率計(jì)算如下：

(2) 式中，Nd是載流子密度（單位：cm3）；q是電荷；t、W和L分別是溝道的厚度、寬度和長度。在圖3d中，使用以下在小VDS下的簡單等式（3），也可以從圖3d中不同VGS處的輸出特性中提取線性移動性。

(3) ZD線性遷移率似乎與飽和狀態(tài)相當(dāng)。

對于飽和度和線性遷移率的估計(jì)，Nd值將是Z重要的信息。為了獲得室溫下的Nd值，實(shí)驗(yàn)實(shí)際上嘗試了用Au接觸16nm薄MoS₂和Pt接觸7nm薄MoTe₂進(jìn)行四點(diǎn)van der Pauw Hall測量。圖4a，b顯示了在SiO₂/p-Si襯底上的樣品的兩個OM圖像，而每個樣品的厚度都是通過AFM掃描測量的，如圖4c所示。盡管圖4a，b中的樣品形狀不是理想的對稱形狀，但是MoTe₂和MoS₂樣品在磁場（H）掃描下相對磁阻[RH（H）–RH（0）]與H場圖如圖4d所示。這些斜率清楚 地 標(biāo) 識或區(qū)分了p型和n型傳導(dǎo)。根據(jù)斜率，計(jì)算出在300K下的空穴和電子濃度（Na和Nd）分別為2.43×10¹⁷和2.5×10¹⁶/cm³。計(jì)算詳細(xì)信息在支持信息部分。

圖4 MoS₂和MoTe₂的Hall測量

a,b.用于四探針Hall測量的n-MoS₂和p-MoTe₂的OM圖像。c.從AFM掃描獲得的MoS₂（紅色）和MoTe₂（藍(lán)色）的薄片厚度分布圖，以及在磁場（H）下MoS₂（頂部負(fù)斜率）和MoTe₂（正）的d RH（H）-RH（0）數(shù)據(jù)坡）。a，b = 10μm的比例尺

實(shí)驗(yàn)的所有JFET器件都與MISFET不同，僅顯示了一些滯后現(xiàn)象，這是因?yàn)関dW PN結(jié)界面處的電荷陷阱密度很小。無論器件是n溝道還是p溝道JFET（實(shí)際上是同時使用兩個溝道的單個器件），圖3f中的遷移率圖顯示了0.05-0.1μV的微小滯后。圖5a顯示了第三個帶有p溝道的JFET，實(shí)際上，該JFET的溝道厚度約為10nm，與圖3a中的n溝道JFET相當(dāng)。圖5d中的輸出曲線特征顯示了三種ID模式：線性（i），夾斷（ii）和飽和（iii）。乍一看，p溝道ID的輸出曲線與圖3d中的n溝道的曲線相當(dāng)。然而，從細(xì)節(jié)觀察可以看出，在MoTe₂p溝道中，夾斷階段顯得較慢；p溝道的飽和電壓（對于V_GS ＝ -1V，V_SAT ＝ -1.5V）大于MoS₂ n溝道的飽和電壓（對于V_GS ＝ 1 V，V_SAT ＝?0.8V）。它與p溝道的空穴載流子密度有關(guān)，p溝道的空穴載流子密度比n溝道的大。在相同的V_GD（V_GS-V_DS）下，p溝道的電荷耗盡比n溝道的電荷耗盡更加困難。圖5b，c展示了p溝道JFET的示意性3D和截面圖。如圖5c所示，在正V_GD下，MoS₂柵極（反向偏壓）比MoTe₂ p溝道更容易耗盡，而MoTe₂ p溝道需要進(jìn)一步的V_DS才能收縮。在圖5e中，p溝道JFET的I_D比n溝道JFET的I_D低一個數(shù)量級，與n溝道器件的SS（200 mV / dec）和ON/OFF ID比（5×10³）比低。困難的溝道耗竭或溝道關(guān)閉可能與這種劣勢密切相關(guān)。根據(jù)圖5f，p溝道JFET的飽和度（13–14cm² /V·s作為峰值遷移率）和線性遷移率（4cm²/V·s）看起來與以前的p-MoTe₂ MISFET的報告相當(dāng)，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于MoS₂ JFET的值。由于p溝道中載流子濃度高一個數(shù)量級而導(dǎo)致的雜質(zhì)散射是MoTe₂的固有能帶結(jié)構(gòu)以及遷移率低的主要原因，此外，還可以懷疑MoTe₂溝道/SiO₂接口上的許多陷阱是器件幾何結(jié)構(gòu)方面移動性低的另一個原因。

圖5 p-MoTe₂/n-MoS₂ JFET的p溝道

a.p溝道JFET的OM圖像。比例尺= 10μm。b.我們的p溝道JFET的簡單3D示意圖。c.根據(jù)（i）小型，（ii）夾斷和（iii）大V_DS的2D橫截面設(shè)備視圖以及我們p溝道設(shè)備b中的白色虛線剖開的視圖。d. p溝道JFET的I_D–V_DS輸出特性。e. p溝道JFET的I_D–V_GS傳輸特性。f.我們的p溝道JFET的移動性。藍(lán)線和天藍(lán)色線表示飽和遷移率，黑星線表示不同V_GS（分別為-0.2，-0.4，-0.6，-0.8V）下的線性遷移率

作為ZZ設(shè)備，p-WSe₂/n-MoS₂ JFET的制造目的是為了確認(rèn)任何p-TMD/n-TMD JFET原則上都可以正常工作。p-TMD充當(dāng)n-TMD溝道的柵級，而n-TMD充當(dāng)p-TMD溝道的柵級。圖6a，b分別顯示了JFET的OM和3D示意圖，其中p-WSe₂和n-MoS₂溝道FET共同使用Au觸點(diǎn)。圖6c顯示了通過探測重疊位置（圖6a中的紅點(diǎn)）一次獲得的來自兩個薄片的拉曼光譜。根據(jù)圖6d的輸出曲線特性，盡管Au和p-WSe₂之間的接觸電阻看起來很嚴(yán)重，但p溝道和n溝道JFET仍能很好地工作。由于接觸電阻的這種缺陷，p-WSe₂ JFET表現(xiàn)出較差的I–V特性，只有幾nA的ON狀態(tài)，而p溝道WSe₂的導(dǎo)電性較差，導(dǎo)致其對n-MoS₂ JFET的柵級不足。因此，如圖6d，e的輸出和傳輸特性所示，p-WSe₂/n-MoS₂系統(tǒng)中的n-MoS₂ JFET的導(dǎo)通狀態(tài)ID比p-MoTe₂/n-MoS₂ JFET情況的導(dǎo)通狀態(tài)ID低一個數(shù)量級。但是，此p-WSe₂/n-MoS₂ JFET器件的演示仍支持任何p-TMD/n-TMD JFET通常原則上都使用兩個溝道工作。

圖6 p-WSe₂/n-MoS₂ JFET

a.SiO₂/p-Si上p-WSe₂/n-MoS₂ JFET的OM圖像。比例尺= 10μm。b. p-WSe₂和n-MoS₂溝道JFET的3D示意性橫截面。Au用作兩個溝道的接觸金屬。c.通過探測a中的紅點(diǎn)獲得的WSe₂和MoS₂的拉曼光譜。d. p-WSe₂和n-MoS₂溝道JFET的I_D–V_DS輸出特性。p-WSe₂和n-MoS₂溝道JFET的I_D-V_GS傳輸特性

總而言之，本研究將vdW JFET制成了平面電流器件，在半導(dǎo)體p-MoTe₂和n-MoS₂TMD之間具有異質(zhì)結(jié)。由于當(dāng)p型材料用作n溝道的柵極時，該vdW JFET在異質(zhì)結(jié)界面處將具有低密度陷阱，反之亦然，因此實(shí)現(xiàn)了0.05–0.1V的微小遲滯和100mV/dec的良好亞閾值擺幅（SS）。此外，vdW JFET始終在?1V的低漏極電壓下表現(xiàn)出易于飽和的特性，并且在接近0V的閾值下再現(xiàn)性地顯示出較低的工作柵極電壓（p-JFET為+0.2V，n-JFET為-0.2V）。普通的vdW 2D MISFET很少同時實(shí)現(xiàn)上述特性。對于具有MoS₂溝道的n溝道JFET，ZG遷移率達(dá)到?>500cm²/V·s，而具有MoTe₂的p溝道JFET的遷移率要低出一個數(shù)量級（?13cm²/V·s）。這些值與2D FET的先前結(jié)果相當(dāng)或接近。對于低壓JFET器件，觀察到的開/關(guān)電流比為?> 10⁴。帶有超薄vdW 2D TMD的兩個溝道JFET的操作被認(rèn)為是獨(dú)特的，不同于一般的三維（3D）JFET和MISFET的操作，并且原則上兩個相對的（p和n）溝道可以用作彼此的柵極。實(shí)驗(yàn)也通過另一個p-TMD / n-TMD JFET（p-WSe₂/n-MoS₂結(jié)） 再次證實(shí)了這一原理。因此，可以得出的結(jié)論是，類似于2D的超薄溝道JFET在其工作原理，結(jié)構(gòu)和制造簡便性方面都足夠新鮮，可以影響基于2D半導(dǎo)體的納米電子學(xué)的未來。

本研究使用的SKPM測量是在具有非接觸模式的Park XE7進(jìn)行的。在SKPM成像中， 鍍金的探針（PPP-NCSTAu， nanosensors）施加了1.5 V的交流偏壓（頻率為17kHz）。

Park XE7原子力顯微鏡

該研究使用了Park XE7原子力顯微鏡設(shè)備完成。Park XE7是一款具備優(yōu)質(zhì)性能和ZG性價比的研究型原子力顯微鏡。

- 通過消除掃描器串?dāng)_進(jìn)行準(zhǔn)確的XY掃描

- 具有全面的原子力顯微鏡解決方案

- 人性化設(shè)計(jì)的軟件和硬件功能

- 可滿足各種條件下，對各種樣品進(jìn)行非接觸式掃描