多层 MoTe2 晶体管在 P 型和 N 型之间的转换及其在逆变器中的使用

背景

石墨烯和类似的二维 (2D) 材料以块状形式存在，作为具有弱层间吸引力的强键层堆叠，允许自身剥离成原子级薄层，这为探索 2D 物理以及新材料应用[1,2,3,4,5,6,7,8,9]。其中，半导体过渡金属二硫属化物 (TMD) 表现出相当大的带隙 [2, 3, 10, 11]。此外，这些 2D TMD 薄片是柔性的，相邻层之间没有悬空键 [12, 13]。这些独特的特性使 TMD 成为构建电子和光电器件的有希望的候选者 [2,3,4,14]，例如亚 10 nm 的下一代场效应晶体管 (FET) [15]、逆变器 [16,17,18] ,19,20,21,22]、片上发光二极管 (LED) [23,24,25] 和范德华异质结器件 [4, 5, 26,27,28]。

2H 型二碲化钼 (2H-MoTe2) 是典型的 2D TMD 之一，其块状 [29] 的间接带隙为 0.83 eV，减薄为单层时的直接带隙为 1.1 eV [30]。已经探索了 2H-MoTe2 在自旋电子学 [31]、FET [32,33,34]、光电探测器 [35,36,37,38] 和太阳能电池 [39] 中的应用。与大多数二维材料一样，多层 2H-MoTe2 具有非常高的表面积与体积比，使其对周围环境中的各种影响敏感。因此，很难获得其固有特性。二维材料的表面和界面以及相关器件一直是研究热点，以实现更高的性能。在这里，我们制造了一个多层 2H-MoTe2 晶体管，其源电极和漏电极层都被制造出来，然后，将多层 MoTe2 样品转移到桥接源电极和漏电极作为晶体管通道。整个 MoTe2 样品暴露在空气中，包括通道和接触部分，这有利于研究吸收物对多层 MoTe2 晶体管电荷传输特性的影响。进行真空和温度相关电荷传输的测量。实验数据表明，就本征电导而言，多层 MoTe2 晶体管是 n 型的。然而，暴露在空气中的器件可以被吸收物掺杂并转化为空气稳定的 p 型晶体管。我们推断多层 MoTe2 晶体管的本征 n 型电导归因于碲 (Te) 空位，这通过密度泛函理论 (DFT) 计算得到证实。空气中向 p 型电导的转换可以通过以下事实来解释：空气中吸收的氧气和水可以诱导电子从 MoTe2 转移到氧/水氧化还原对，从而将 n 型多层 MoTe2 晶体管转换为 p 型。最后，基于 n 型和 p 型多层 MoTe2 晶体管，我们展示了一个互补反相器，它在 V 处显示出对称的输入/输出行为和 9 的增益值 DD =5 V。

结果与讨论

与之前报道的多层 MoTe2 晶体管不同，我们的器件图如图 1a 所示。我们首先在 SiO2/p ⁺ 上制作了由 Cr/Au 薄膜组成的源漏 (SD) 电极 -Si衬底。然后，在另一个 SiO2/ p ⁺ 上制备的多层 MoTe2 样品之一 -Si衬底被转移以桥接源漏电极作为晶体管沟道。用这种方法制备的 MoTe2 样品干净，在器件制造过程中没有聚合物污染。此外，整个MoTe2样品暴露在空气中，包括通道和接触部分，更方便去除吸收物并获得多层MoTe2晶体管的本征电导。制造的多层 MoTe2 晶体管的光学图像如图 1b 所示，沟道长度为 10 μm。 MoTe2 通道的特征在于原子力显微镜 (AFM)（见图 1c）。从 AFM 图像中的标记获得的高度分布（见图 1d）表明 MoTe2 样品的厚度约为 17 nm（由 24 个单层 MoTe2 组成）[40]。 A1g (172 cm ⁻¹ ), E ¹ 2 克（233 厘米 ⁻¹ ), 和 B ¹ 2 克（289 厘米 ⁻¹ ) 清晰可见，如图 1e 所示，表明转移过程后 2H-MoTe2 质量良好 [41]。

多层 MoTe2 晶体管及其特性。 一 MoTe2 晶体管图的插图。 b 由多层 MoTe2 通道和 SD Cr/Au 电极组成的制造晶体管之一的光学图像。 c b 中晶体管通道的 AFM 图像 . d 多层 MoTe2 的高度剖面。 e 晶体管通道中多层MoTe2的拉曼光谱

在 Lakeshore 探针台使用 Agilent B1500A 半导体分析仪测量制造的背栅多层 MoTe2 晶体管，其可泵压至 1 × 10 ^-5 mbar 并实现 9~350 K 温度调节。图 2 显示了室温 (RT) 空气中多层 MoTe2 晶体管的电特性。源漏电压V下的传输特性 图 2a 中的 sd =1 V 表明晶体管在负门控电压下处于导通状态，在正门控电压下处于关断状态。从导通状态到截止状态的转换电压几乎为零，这是典型的p型晶体管特性。重复测量显示相同的电门控特性（参见附加文件 1：图 S1）。其他四个多层 MoTe2 晶体管也表现出类似的 p 型电门控特性，如附加文件 1：图 S2 所示。我们还准备了其他厚度为 5 纳米、38 纳米和 85 纳米的设备，如附加文件 1：图 S3 所示。当 MoTe2 厚度为 5 nm 和 38 nm 时，与图 2 和附加文件 1：图 S2 中的器件相比，两种制备的器件都显示 p 型电导但导通电流较小。随着厚度增​​加到 85 nm，门控效应消失，如附加文件 1：图 S3 (l) 所示。这些数据表明，对于多层 MoTe2 晶体管，p 型电导在空气中是普遍的。从图 2a 中的传输特性，我们可以得到开关比、亚阈值摆幅 (SS) 和场效应迁移率 (μ)，它们是 6 × 10 ³ 、350 mV/dec 和 8 cm ² /V·s，分别。

室温下空气中多层 MoTe2 晶体管的电学特性。 一 MoTe2 晶体管在 V 下的传输特性 sd =1 V 在空气中。 b V 时 MoTe2 晶体管的输出特性 bg =− 20 V、− 15 V、− 10 V、− 5 V、0 V 和 5 V。c MoTe2晶体管在不同V下的传输特性 标准差。 d 作为 V 函数的导通电流、截止电流和开关电流比 sd

图 2b 显示了多层 MoTe2 晶体管在背栅电压 V 下的输出特性 bg =− 20 V、− 15 V、− 10 V、− 5 V、0 V 和 5 V。正如所见，响应基本上是线性的，尤其是在 V 的低偏置电压下 sd，这表明有效肖特基势垒高度可以忽略不计（Φ SB) 在空气中的 Au 和 MoTe2 之间。不同源漏偏置电压下的传输特性如图 2c 所示，导通电流随偏置电压 V 线性增加 sd，如图 2d 所示，与输出特性一致。同时，随着 V 关断电流增大，开关比减小 sd 增加。这可以归因于吸收物和界面态的 MoTe2 通道中的陷阱态。传输特性的滞后（参见附加文件 1：图 S4）进一步证实了 MoTe2 晶体管中存在陷阱状态 [42,43,44,45]。

我们进一步研究了多层 MoTe2 晶体管在不同真空下的 p 型电导。这有助于理解吸收的氧气和水对电荷传输特性的影响。图 3a 显示了 V 处的传输特性 sd =1 V 作为真空的函数（“atm”对应于大气）。主要的变化趋势由红色箭头清楚地表明，这类似于碳纳米管晶体管[44]中所示的变化。首先，导通电流随着真空度的增加而降低，这部分是由于吸收物引起的阈值电压的偏移，但主要是由于器件电阻随着吸收物的减少而增加，包括沟道和接触电阻。图 3b 所示的非线性输出特性表明 Au 和 MoTe2 之间的有效肖特基势垒在 2.9 × 10 ^-5 mbar 真空，这表明有效的肖特基势垒高度被空气中的吸收物改变。其次，正电压门控下的截止电流随着真空度的增加而增加，这意味着电子电导随着吸收量的减少而增加，表明多层 MoTe2 晶体管中的 n 型电导受到空气中的吸收量的抑制。

多层 MoTe2 晶体管在真空中的 P 型电学特性。 一 V 下 p 型 MoTe2 晶体管的 RT 传输特性 作为真空的函数，sd =1 V。 b 不同V下p型MoTe2晶体管的RT输出特性 bg in 2.9 × 10 ⁻⁵ 毫巴真空

尽管在真空中消除部分吸收后导通电流减小和关断电流增加，但多层 MoTe2 晶体管仍然表现出 p 型电导。此外，p 型电导在低温下保持不变，如图 4a 所示。这种与温度有关的电特性有助于我们进一步阐明电荷传输机制并提取 p 型 MoTe2 晶体管的有效肖特基势垒高度。图 4a 给出了偏置电压 V 下的传输特性 当温度从 20 到 275 K 变化时，sd =1 V。导通电流和截止电流都随着温度的降低而降低，并且在低温下开关比增加，如图 4b 所示。源漏电流 I 的阿伦尼乌斯图 sd 在背栅电压 V 图 4c 中的 sd =− 20 V 和 20 V 表示电荷传输的热发射和隧道效应 [46]。当温度高于 100 K 时，在负门控电压和正门控电压中都观察到明显的热发射区，当温度低于 100 K 时，隧道电流占主导地位。这就是为什么导通电流和截止电流都随着温度的降低而下降的原因.基于热发射电流观察和\( {I}_{\mathrm{sd}}\sim {e}^{-{q\varPhi}_{SB}/ kT\operatorname{}} \)的关系, 其中 k 是玻尔兹曼常数和 T 是温度，我们提取有效肖特基势垒高度 Φ SB 作为 V 处栅极电压的函数 sd =1 V，如图 4d 所示。有效肖特基势垒高度Φ 开启和关闭状态下的 SB 均小于 120 mV。

p 型多层 MoTe2 晶体管的温度相关电特性。 一 MoTe2 晶体管在 V 下的传输特性 sd =1 V 作为温度的函数。 b 作为温度函数的导通电流、截止电流和开关电流比。 c 在 V 处作为温度函数的源漏电流的阿伦尼乌斯图 sd =1 V 和 V bg =− 20 V 和 20 V。 d 有效肖特基势垒高度图 Φ SB 作为背栅电压的函数

真空和低温使得吸收物难以完全解吸。残留的吸收物仍然起作用并改变多层 MoTe2 晶体管的电导。为了进一步解吸 MoTe2 晶体管上的吸收物，我们在真空中将器件加热至 350 K 并进行原位电学特性测量。图 5a 显示了 MoTe2 晶体管在从 250 K 加热到 350 K 时的转移特性。如图所示，正栅极电压下的电子电导增强，而负栅极电压下的空穴电导随着温度升高而降低。在温度 T =250 K，器件显示典型的 p 型电导。但是当温度升高到 T =350 K，器件转换为 n 型，在负栅极电压时处于关断状态，在正栅极电压时处于导通状态。其开关比、亚阈值摆幅（SS）和场效应迁移率（μ）为3.8 × 10 ² 、1.1 V/dec 和 2 cm ² /V·s，分别。

多层MoTe2晶体管在真空中随温度变化的传输特性

MoTe2 晶体管的 n 型电导在真空中是稳定的。设备在2 × 10 ⁻⁵ 保持在探针台 加热后在室温下保持毫巴真空 12 小时。然后，进行电特性的测量。如图 6a 所示，传输特性在负栅极电压时仍处于关断状态，在正栅极电压时处于导通状态，展示了典型的 n 型晶体管特性。在其他两个示例中实现了类似的转换，如附加文件 1：图 S5 (a) 和 (b) 所示。此外，我们使用高温化学气相沉积系统在 3 毫巴真空下在 Ar 气中在 523 K 下对两个样品进行退火 2 小时。它们都从 p 型变为 n 型，如附加文件 1 所示：图 S5 (c) 和 (d)。图 6b 显示了 n 型 MoTe2 晶体管在不同背栅电压下的输出特性，该特性显然是非线性的，尤其是在低偏置电压 V sd，与图 3b 中的不同，表明在加热去除吸收物后，MoTe2 和 Au 电极之间存在增强的有效肖特基势垒高度。图 6c 显示了 n 型多层 MoTe2 晶体管的温度相关转移特性。如图所示，当温度从 275 降至 25 K 时，导通电流和关断电流均减小，如图 6c、d 所示。源漏电流 I 的阿伦尼乌斯图 图 6e 中的 sd 表明热发射和隧道电流仍然是 n 型多层 MoTe2 晶体管中的主要电荷传输机制。由此获得的有效肖特基势垒高度小于 250 meV。考虑到 Au (5.2 eV) 和 MoTe2 (4.1 eV) 的功函数，电子的有效肖特基势垒高度在理想条件下高达 1.1 eV。这种差异可能来自于二维材料中的费米能级钉扎效应[47]。

N 型多层 MoTe2 晶体管在真空中的特性。 一 MoTe2 晶体管在 V 下的 RT 传输特性 sd =1 V。b MoTe2晶体管在不同背栅电压下的RT输出特性。 c MoTe2 晶体管的传输特性作为温度的函数。 d MoTe2 晶体管的导通电流、截止电流和开关电流比与温度的关系。 e I 的阿伦尼乌斯图 sd 在 V sd =1 V 和 V bg =− 20 V 和 20 V。 f 有效肖特基势垒高度图 Φ SB 作为 V 的函数 背景

我们还发现 n 型多层 MoTe2 晶体管在暴露于空气中时会恢复为 p 型（参见附加文件 1：图 S6）。根据以上实验数据，我们推断 n 型电导是多层 MoTe2 晶体管的固有特性。 N 型电导可归因于 MoTe2 通道中的 Te 空位。如图 7 所示，通过 DFT 计算证实了这一点。图 7a 显示了单层 (ML) MoTe2 中 Te 空位图的说明，图 7b 显示了相应的态密度 (DOS)。与具有完美晶体结构的 MoTe2 的 DOS 相比，Te 空位在导带边缘附近引起缺陷态。因此，具有Te空位的MoTe2晶体管表现出n型电导。

MoTe2 中的空缺。 一 4 × 4 ML MoTe2 超胞在理想相和 Te 空位。空位用黄色标记。 b 与理想 ML 中的 PDOS（黑色虚线）相比，与 ML MoTe2（红色实心）中的 Te 空位相邻的 Mo 位点和与 Te 空位最近的 Te 位点的部分态密度（PDOS）

当设备暴露在空气中时，空气中的氧气和水会被设备吸收。已经证实，氧和水的吸收物可以在有机晶体管和石墨烯相关层材料晶体管中引起 p 型掺杂 [44, 48, 49]。它通过氧/水氧化还原对起作用，其中溶解在水中的氧为氧化还原反应设定了条件。该过程将引起氧/水氧化还原对和 MoTe2 之间的电荷转移。电荷转移方向取决于功函数（或化学势）差。 MoTe2 的功函数为 4.1 eV，而氧/水氧化还原对的功函数大于 4.83 eV [48]。图 8 说明了水/氧氧化还原对和 MoTe2 的能量图。由于能级差异，电子从MoTe2注入氧/水氧化还原对，导致MoTe2在空气中空穴掺杂。

水/氧氧化还原对（左）和 MoTe2（右）的能量图；红色箭头表示电子转移方向

使用 p 型和 n 型 MoTe2 晶体管，我们探索了互补反相器的构造，如图 9a 所示。 V 的电源电压 DD加在p型晶体管的源极（或漏极）上，而n型晶体管的源极（或漏极）接地。逆变器实测为8 × 10 ⁻⁵ 探针台中的毫巴真空。图 9b、c 分别显示了来自反相器的 p 型和 n 型晶体管的传输特性。图 9d 显示了当 V 时逆变器的电压转移特性 (VTC) 曲线 DD 在 1 到 5 V 的范围内变化。过渡电压非常接近 V DD/2，这可以归因于 n 型和 p 型 MoTe2 晶体管之间的对称性。图 9e 显示了 V 处的 VTC 曲线（黑线）及其镜像（红线） DD =5 V。阴影“眼”区域代表逆变器的噪声容限。如图所示，V 处的低电平噪声容限 (NML) 和高电平噪声容限 (NMH) 分别为 1.54 V 和 1.77 V DD =5 V。图 9f 显示了 V V 处逆变器的 IN 相关电压增益 DD =2 V、3 V、4 V 和 5 V，随 V 增加 DD 并在 V 达到 9 DD =5 V。

8 × 10 ⁻⁵ 中基于p型和n型多层MoTe2晶体管的互补反相器特性 毫巴真空。 一 由 p 型和 n 型 MoTe2 晶体管组成的逆变器图。 p 型 (b ) 和 n 型 (c ) 来自逆变器的 MoTe2 晶体管。 d V 逆变器的 VTC 曲线 DD 值从 1 到 5 V。e VTC 曲线（黑线）及其在 V 处的镜像（红线） DD =5 V。f V V 处逆变器的 IN 相关电压增益 DD =2 V、3 V、4 V 和 5 V

结论

总之，我们通过在空气中将 MoTe2 转移到制造的源漏电极上来制造 p 型多层 MoTe2 晶体管。真空和温度相关的原位电荷传输测量表明，多层 MoTe2 晶体管通常的 p 型电导不是其固有特性，这是由空气中的氧/水氧化还原对掺杂引起的。当 MoTe2 晶体管在真空中加热以去除吸收物时，它表现出 n 型电导，这归因于 MoTe2 中的碲空位，并且是其固有的传输特性。 p 型和 n 型 MoTe2 晶体管都显示出较小的有效肖特基势垒高度，这部分是由于吸收物的修改。降低的有效肖特基势垒有利于实现高性能 MoTe2 晶体管。基于这些发现，我们制作了一个增益值高达9的互补逆变器。

方法/实验

为了研究吸附物对多层 MoTe2 晶体管电荷传输性能的影响，我们选择了背栅多层 MoTe2 晶体管，并将整个 MoTe2 样品暴露在周围环境中。背栅多层 MoTe2 晶体管制造如下。首先，在 300-nm SiO2/p ⁺ 上对源极、漏极和栅极进行图案化 -Si 衬底使用标准 UV 光刻技术，然后选择性蚀刻栅电极下方的 300-nm SiO2 和电子束蒸发 5-nm/100-nm Cr/Au 薄膜。其次，在其他 300-nm SiO2/p ⁺ 上制备多层 MoTe2 样品 -Si 通过机械剥离毫米尺寸的半导体 2H-MoTe2 单晶，使用 TeCl4 作为传输剂在 750 至 700°C 的温度梯度下通过化学蒸汽传输生长 3 天。最后，使用聚乙烯醇 (PVA) 作为介质将制备的多层 MoTe2 样品转移到图案化的源漏电极上 [50]。 PVA 溶解在 H2O 中并用异丙醇 (IPA) 冲洗。设备退火是在化学气相沉积装置中用干泵进行的。通过光学显微镜识别多层 MoTe2 样品，并使用 SPA-300HV 原子力显微镜 (AFM) 表征相应的厚度。拉曼信号由 LabRAM HR 拉曼光谱仪收集，使用 514 nm 波长激光激发在背散射配置中，使用 ×100 物镜。从物镜测得的激光功率为 2.2 mW。使用Agilent B1500A半导体分析仪与Lakeshore探针台的组合进行电气表征。

DFT 计算是使用投影增强波 (PAW) 赝势和平面波基组进行的，截止能量为 400 eV，在 Vienna ab initio 模拟包 (VASP) [51] 中实现。选择 15 Å 以上的真空空间是为了消除周期性图像之间的虚假相互作用。足够的 k 12 × 12 × 1和24 × 24 × 1的-点采样分别用于结构弛豫和电子计算。采用具有 Perew-Burke-Ernzerhof (PBE) 函数的广义梯度近似 (GGA) [52]。

缩写

二维：

二维

2H-MoTe2 :

2H型二碲化钼

原子力显微镜：

原子力显微镜

DFT：

密度泛函理论

DOS：

态密度

FET：

场效应晶体管

GGA：

广义梯度逼近

国际音标：

异丙醇

I 标准差：

源漏电流

LED：

发光二极管

NMH :

高电平噪声容限

NML :

低电平噪声容限

爪子：

投影增强波

PBE：

Perew-Burke-Ernzerhof

PVA：

聚乙烯醇

标准差：

源漏

SS：

亚阈值摆动

TMD：

过渡金属二硫属化物

VASP：

Vienna ab initio 仿真包

V 背景：

背栅电压

V 标准差：

源漏电压

VTC：

电压传递特性

Φ SB：

肖特基势垒高度