多层 MoTe₂ 晶体管中可调控的 P 型至 N 型转换及其在互补反相器中的应用

摘要

P 型和 N 型 MoTe₂ 晶体管对于构建互补电子与光电电路至关重要。本工作制备了基于 Au 电极的空气稳定 P 型多层 MoTe₂ 晶体管，并通过真空退火将其转化为 N 型器件。原位温度相关测量结合第一性原理模拟揭示：本征 N 型行为源于碲空位，而环境空气中的氧/水氧化还原对通过电荷转移诱导 P 型掺杂。利用 P 型和 N 型 MoTe₂ 通道组装的互补反相器在 V_DD = 5 V 下实现了高达 9 的电压增益。

研究背景

二维（2D）材料如石墨烯可剥离成原子级薄层，为探索 2D 物理及器件应用开辟新途径。过渡金属二硫属化物（TMDs）具有可观的带隙、力学柔性和化学惰性，适合新一代场效应晶体管（FET）、反相器、发光二极管及范德瓦尔斯异质结构。

2H-二碲化钼（2H-MoTe₂）是典型 TMD，体材料间接带隙 0.83 eV，单层直接带隙 1.1 eV。它在自旋电子学、FET、光电探测器和太阳能电池等领域受到关注。因多层 2H-MoTe₂ 具有大比表面积，其电子性质极易受环境吸附物影响，增加了提取本征输运特性的难度。

本研究采用背栅结构制备多层 2H-MoTe₂ 晶体管，将机械剥离得到的洁净 MoTe₂ 薄片转移桥接源漏电极。整个器件暴露于空气中，系统研究环境物种对电荷输运的影响。真空与温度相关测量表明器件本征为 N 型，空气暴露导致 P 型掺杂。密度泛函理论（DFT）计算将 N 型行为归因于碲空位。通过在 P/N 型间转换，我们组装了表现出对称输入输出特性和最大增益 9（V_DD = 5 V）的互补反相器。

结果与讨论

不同于前人报道，我们的器件布局（图 1a）采用背栅结构。先在 SiO₂/Si⁺ 基底上光刻制备 Cr/Au 源漏电极，再将另一 SiO₂/Si⁺ 晶圆上机械剥离的多层 MoTe₂ 薄片转移至电极间，确保无聚合物残留的洁净通道（图 1b）。因整个薄片暴露于空气，可系统研究吸附物对本征电导的影响。

AFM 确认厚度 17 nm（约 24 单层）（图 1c,d），拉曼光谱显示特征 A₁g（172 cm⁻¹）、E¹₂g（233 cm⁻¹）和 B¹₂g（289 cm⁻¹）模式，表明晶体质量优良（图 1e）。

背栅测量在 Lakeshore 探针台配合 Agilent B1500A 分析仪进行，压力低至 10⁻⁵ mbar，温度 9–350 K。室温空气中传输曲线（V_sd = 1 V，图 2a）呈 P 型响应：负栅压导通、正栅压截止，开关比 6×10³，亚阈值摆幅 350 mV dec⁻¹，场效应迁移率 8 cm² V⁻¹ s⁻¹。不同厚度（5–85 nm）器件均表现出类似 P 型行为（附件 S1–S3）。

输出特性（图 2b）显示近线性 I-V 曲线，暗示空气中 Au/MoTe₂ 接触肖特基势垒可忽略。导通电流随 V_sd 线性增加（图 2c），截止电流随 V_sd 上升导致开关比下降——这是吸附物诱导陷阱态的标志。传输曲线的滞后进一步证实陷阱存在（附件 S4）。

为分离环境物种作用，我们在逐渐增高的真空下测量器件。如图 3a 所示，增大真空度降低导通电流（吸附物脱附致电阻升高）并抬高截止电流，表明电子输运被逐步抑制。2.9×10⁻⁵ mbar 下的输出曲线（图 3b）显示肖特基势垒略大，支持吸附物调节有效势垒高度的结论。

温度相关测量（图 4a）显示器件在 20 K 仍保持 P 型。导通/截止电流随温度降低而减小，开关比改善。阿伦尼乌斯图（图 4c）揭示 100 K 以上为热激活机制、以下为隧穿主导，提取出 120 meV 以下的有效肖特基势垒高度（图 4d）。尽管低温减少吸附物，残留物种仍影响电导。

进一步在真空中将器件退火至 350 K（图 5a）。传输曲线从 P 型转为 N 型：350 K 时负栅压截止、正栅压导通，开关比 3.8×10²，亚阈值摆幅 1.1 V dec⁻¹，迁移率 2 cm² V⁻¹ s⁻¹。室温真空放置 12 h 后 N 型行为持续存在（图 6a）。523 K 氩气退火进一步确认 N 型态稳定性（附件 S5）。

4×4 单层超胞 DFT 计算显示，碲空位在导带底下方引入缺陷能级，解释了本征 N 型电导（图 7）。反之，环境 O₂/H₂O 导致电荷从 MoTe₂ 转移至氧/水氧化还原对（图 8），产生 P 型掺杂。MoTe₂ 功函数（4.1 eV）低于氧化还原对（>4.83 eV），驱动电子转移并在材料中产生空穴。

最后，利用 P 型和 N 型晶体管组装互补反相器（图 9a）。在 8×10⁻⁵ mbar 真空、V_DD = 5 V 下，反相器展现以 V_DD/2 为中心的对称电压传输特性（图 9d），低/高电平噪声容限分别为 1.54 V 和 1.77 V。电压增益随 V_DD 增大，在 5 V 时达到 9（图 9f）。结果表明 MoTe₂ 可作为高性能互补逻辑器件的有源通道材料。

结论

总之，我们制备了空气稳定的 P 型多层 MoTe₂ 晶体管，并通过真空退火揭示了其本征 N 型行为。N 型电导源于碲空位，经 DFT 验证。环境氧和水通过氧化还原对作为受主，将器件转为 P 型。两种器件在吸附物存在下均表现出降低的肖特基势垒，实现高性能。利用这种双型器件，我们构建了增益达 9 的互补反相器，展示了 MoTe₂ 在未来低功耗柔性电子学中的应用潜力。

实验方法

器件采用标准背栅几何结构。先在 300 nm SiO₂/p⁺-Si 晶圆上用紫外光刻制备 Cr/Au（5 nm/100 nm）源、漏、栅电极，随后选择性刻蚀 SiO₂。多层 MoTe₂ 薄片从化学气相传输法生长的体晶体（TeCl₄，750–700 °C，3 天）机械剥离至另一 SiO₂/Si⁺ 基底，再用 PVA 转移介质转移至图案化电极上，水溶解 PVA 后用异丙醇冲洗。器件在配备干泵的 CVD 腔室中退火。厚度经 AFM（SPA-300HV）验证，拉曼光谱用 LabRAM HR 光谱仪（514 nm 激光，2.2 mW）采集。电学表征用 Agilent B1500A 分析仪配合 Lakeshore 探针台。DFT 计算采用 VASP、PAW 赝势、400 eV 平面波截断、12×12×1 k 点采样（结构优化）和 24×24×1（电子结构），GGA-PBE 泛函。

缩略语

2D

二维

2H-MoTe₂

2H 型二碲化钼

AFM

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

广义梯度近似

IPA

异丙醇

I_sd

源漏电流

LED

发光二极管

NM_H

高电平噪声容限

NM_L

低电平噪声容限

PAW

投影增强波

PBE

Perdew-Burke-Ernzerhof

PVA

聚乙烯醇

SD

源漏

SS

亚阈值摆幅

TMDs

过渡金属二硫属化物

VASP

维也纳从头计算模拟包

V_bg

背栅电压

V_sd

源漏电压

VTC

电压传输特性

Φ_SB

肖特基势垒高度