Nature I 含有n沟道和p沟道过渡金属硫化物的范德华结场效应晶体管

过去的十几年里，二维（2D）过渡金属硫化物（TMD）被公认在未来纳米电子学中存在了巨大的潜力，在材料和器件两个方面都得到了广泛的研究。主要的焦点是2D TMD半导体器件，这可能是现有或未来技术中最重要的部分。因此，目前为止，已经发表了很多关于使用2D TMD沟道的金属绝缘体半导体场效应晶体管（MISFET）的报道，以及它们在互补金属氧化物半导体晶体管逆变器中的应用。

与此同时，具有范德华（vdW）接口的异质结2D TMD PN（PN）二极管也受到了研究人员的广泛关注。这些vdW PN结接口在设备运行中会经历跨结的平面外或垂直电流。实际上，相同的vdW PN结结构可用于另一个重要的器件应用，即结场效应晶体管（JFET），其中平面内电流与2D–2D异质结接口一起的形式可能会实现。然而，尽管一些可能性已经在黑磷/氧化锌纳米线结系统中得到了应用，但似乎尚未报道vdW JFET应用。

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 研究团队，将vdW JFET制成了平面半导体器件，在半导体 p-MoTe2（或p-WSe2）和n-MoS2 TMD之间具有异质结。下面就是针对以上研究课题所进行的实验过程阐述与内容讨论。

图1a显示了研究者在285nm厚的SiO₂/p-Si晶圆上制造的p-MoTe₂/n-MoS₂沟道JFET器件的光学显微镜（OM）图像。在MoTe₂和MoS₂沟道中，Pt和Au分别用作源/漏欧姆电极。如图1c的3D示意图所示，六角形2H-MoS₂沟道在两个沟道彼此交叉时重叠在2H-MoTe₂上。如图1b所示，通过显微拉曼光谱同时清晰地识别出两个半导体TMD，为此对重叠区域的ZX点进行了探测（请参见图1a中的红色点）。由于p沟道和n沟道材料是交叉的，使用Pt和Au电极可能形成了四种不同的PN二极管，并证实了这种二极管的行为。此外，通过相同的结构，还确认了p型和n型MISFET的行为以及传输曲线特性中的大滞后现象。

图1 材料特性和器件示意图

a.在285nm厚度的SiO₂/p-Si晶片上制造的JFET器件的光学显微（OM）图像。红色和蓝色虚线分别描绘了MoS₂和MoTe₂覆盖区域。比例尺= 5μm。b.从重叠区域的红点获得的拉曼光谱。c. MoS₂和MoTe₂结器件的3D示意图。基本上可以形成四个异质结PN二极管对。d. p-MoTe₂沟道（n-MoS₂栅极）和n-MoS₂沟道（p-MoTe₂栅极）JFET器件的3D截面图。

根据JFET结构的OM，进行了原子力显微镜（AFM；图2a，b）和扫描开尔文探针显微镜（SKPM，图2c） 对同一装置的矩形区域进行探测，该矩形区域包含图2a所示的四个各自的表面：SiO₂衬底，MoTe₂，MoS₂和MoTe₂上的MoS₂覆盖层。根据原子力显微镜的结果（图像对比度），MoTe₂和MoS₂沟道的厚度分别约为 16nm和6nm。根据SKPM结果，单个MoTe₂和MoS₂的功函数完全相同，为4.54eV，而MoTe₂覆盖在MoTe₂上的MoS₂的功函数略高，为4.56eV。略高的值可能是因为MoTe₂上的MoS₂不受SiO₂表面上的陷阱电荷的影响，还因为两个TMD之间有一些电子电荷转移。根据SKPM数据，我们可以预期并构建MoTe₂/MoS₂ PN结，MoS₂ n沟道和MoTe₂ p沟道的能带图，分别如图2d-f所示。PN结应在MoTe₂和MoS₂之间包含〜0.3nm vdW间隙。在没有栅偏压的情况下，沟道几乎没有势垒，而是内置势能（n沟道 qΦi= 0.02eV）。当对n沟道的p型栅极施加反向偏压时，MoS₂沟道应该在p栅（重叠）区域（图2e）具有能垒，费米能量位于该区域的中间。带隙，指示电荷载流子耗尽（用于OFF状态）。类似地，MoTe₂沟道在施加于p沟道的反向偏压下，在n栅极区域（图2f）具有能垒。如果没有漏极偏压电压，则带势垒的能带图必须对称。但是，它在漏极偏压下会变得不对称。

图2 AFM和SKPM的设备能带图

a．JFET结构的2D AFM图像。b.JFET结构的3D AFM图像。比例尺= 1μm。c.JFET的SKPM图像。a图中的白色虚线框表示AFM和SKPM（a–c）的扫描区域。d. MoTe₂ / MoS₂，e. MoS₂ n沟道的能带图。f. MoTe₂ p沟道的能带图。VGn和VGp分别表示施加在n沟道和p沟道上的栅极偏压

正如平面方向带图（图2e，f）所预期的那样，n沟道JFET在图3a–f中得到了实验证明。图3a显示了另一个JFET的OM图像，该JFET与图1a的不同，但具有相似的沟道厚度尺寸：对于MoS₂和MoTe₂沟道，分别为〜12和7nm 。图3d中器件的输出特性（漏极电流-漏极电压；ID-VDS）显示典型晶体管的三个阶段：线性（i）、夹断（ii）和饱和至早期效应（iii）。这三个阶段通过图3c中不同VDS下的JFET横截面示意图得到了很好的解释，虽然在图3b的示意性3D视图中，器件的每个材料组件通过颜色来识别。图3c中的横截面（i）显示了在微小VDS下用于线性状态ID的传导沟道。随着VDS向正电压增加， 漏极侧相对于p栅极产生反向偏压，在源端保持正向偏压和沟道开放的情况下发生不对称沟道耗尽（交叉阴影区）。随着VDS进一步增加，n沟道达到夹断状态（ii）甚至沟道长度（L）调制（iii）。这种沟道长度调制导致长度（L′）缩短和电流升高（偏离饱和；早期效应）。从另一个JFET（支持信息图S3a）观察到，这种沟道调制在我们的JFET器件中非常普遍。图3e显示了传输特性（漏极电流-栅极电压；ID-VGS），其中观察到良好的开/关 ID比为5×104，SS为〜100mV/dec。在图3e中，栅极漏电流（IG）似乎随着施加的栅极电压（VGS）而增大，并且可以肯定地理解为源于n-MoS₂和p-MoTe₂之间的PN结的正向偏压引起的漏电流。

图3 p-MoTe₂/n-MoS₂ JFET的n沟道

a. n沟道JFET的OM图像。比例尺= 10μm。b. n沟道JFET的简单3D示意图。c.根据（i）微小，（ii）夹断和（iii）大VDS的2D横截面设备视图以及n沟道设备b中的白色虚线剖开的视图。d. n沟道JFET的ID–VDS输出特性。e. n沟道JFET的ID–VGS传输特性。f. n沟道JFET的移动性。红色和橙色线表示饱和迁移率，黑色星号表示在不同VGS（分别为0.2、0.4、0.6、0.8 V）下的线性迁移率。

JFET的饱和迁移率也是从同一个图中提取出来的。根据图3e，f，阈值电压和峰值饱和迁移率分别为−0.2V和500–600cm2/V·s。饱和迁移率由以下等式（1）驱动，该等式需要MoS₂ n沟道中载流子浓度Nd和跨导gm的信息。在图3e中，我们从转移曲线中提取作为VGS函数的gm图。

(1) 因此，可将迁移率计算如下：

(2) 式中，Nd是载流子密度（单位：cm3）；q是电荷；t、W和L分别是沟道的厚度、宽度和长度。在图3d中，使用以下在小VDS下的简单等式（3），也可以从图3d中不同VGS处的输出特性中提取线性移动性。

(3) ZD线性迁移率似乎与饱和状态相当。

对于饱和度和线性迁移率的估计，Nd值将是最重要的信息。为了获得室温下的Nd值，实验实际上尝试了用Au接触16nm薄MoS₂和Pt接触7nm薄MoTe₂进行四点van der Pauw Hall测量。图4a，b显示了在SiO₂/p-Si衬底上的样品的两个OM图像，而每个样品的厚度都是通过AFM扫描测量的，如图4c所示。尽管图4a，b中的样品形状不是理想的对称形状，但是MoTe₂和MoS₂样品在磁场（H）扫描下相对磁阻[RH（H）–RH（0）]与H场图如图4d所示。这些斜率清楚 地 标 识或区分了p型和n型传导。根据斜率，计算出在300K下的空穴和电子浓度（Na和Nd）分别为2.43×10¹⁷和2.5×10¹⁶/cm³。计算详细信息在支持信息部分。

图4 MoS₂和MoTe₂的Hall测量

a,b.用于四探针Hall测量的n-MoS₂和p-MoTe₂的OM图像。c.从AFM扫描获得的MoS₂（红色）和MoTe₂（蓝色）的薄片厚度分布图，以及在磁场（H）下MoS₂（顶部负斜率）和MoTe₂（正）的d RH（H）-RH（0）数据坡）。a，b = 10μm的比例尺

实验的所有JFET器件都与MISFET不同，仅显示了一些滞后现象，这是因为vdW PN结界面处的电荷陷阱密度很小。无论器件是n沟道还是p沟道JFET（实际上是同时使用两个沟道的单个器件），图3f中的迁移率图显示了0.05-0.1µV的微小滞后。图5a显示了第三个带有p沟道的JFET，实际上，该JFET的沟道厚度约为10nm，与图3a中的n沟道JFET相当。图5d中的输出曲线特征显示了三种ID模式：线性（i），夹断（ii）和饱和（iii）。乍一看，p沟道ID的输出曲线与图3d中的n沟道的曲线相当。然而，从细节观察可以看出，在MoTe₂p沟道中，夹断阶段显得较慢；p沟道的饱和电压（对于V_GS ＝ -1V，V_SAT ＝ -1.5V）大于MoS₂ n沟道的饱和电压（对于V_GS ＝ 1 V，V_SAT ＝〜0.8V）。它与p沟道的空穴载流子密度有关，p沟道的空穴载流子密度比n沟道的大。在相同的V_GD（V_GS-V_DS）下，p沟道的电荷耗尽比n沟道的电荷耗尽更加困难。图5b，c展示了p沟道JFET的示意性3D和截面图。如图5c所示，在正V_GD下，MoS₂栅极（反向偏压）比MoTe₂ p沟道更容易耗尽，而MoTe₂ p沟道需要进一步的V_DS才能收缩。在图5e中，p沟道JFET的I_D比n沟道JFET的I_D低一个数量级，与n沟道器件的SS（200 mV / dec）和ON/OFF ID比（5×10³）比低。困难的沟道耗竭或沟道关闭可能与这种劣势密切相关。根据图5f，p沟道JFET的饱和度（13–14cm² /V·s作为峰值迁移率）和线性迁移率（4cm²/V·s）看起来与以前的p-MoTe₂ MISFET的报告相当，但是远远低于MoS₂ JFET的值。由于p沟道中载流子浓度高一个数量级而导致的杂质散射是MoTe₂的固有能带结构以及迁移率低的主要原因，此外，还可以怀疑MoTe₂沟道/SiO₂接口上的许多陷阱是器件几何结构方面移动性低的另一个原因。

图5 p-MoTe₂/n-MoS₂ JFET的p沟道

a.p沟道JFET的OM图像。比例尺= 10μm。b.我们的p沟道JFET的简单3D示意图。c.根据（i）小型，（ii）夹断和（iii）大V_DS的2D横截面设备视图以及我们p沟道设备b中的白色虚线剖开的视图。d. p沟道JFET的I_D–V_DS输出特性。e. p沟道JFET的I_D–V_GS传输特性。f.我们的p沟道JFET的移动性。蓝线和天蓝色线表示饱和迁移率，黑星线表示不同V_GS（分别为-0.2，-0.4，-0.6，-0.8V）下的线性迁移率

作为ZZ设备，p-WSe₂/n-MoS₂ JFET的制造目的是为了确认任何p-TMD/n-TMD JFET原则上都可以正常工作。p-TMD充当n-TMD沟道的栅级，而n-TMD充当p-TMD沟道的栅级。图6a，b分别显示了JFET的OM和3D示意图，其中p-WSe₂和n-MoS₂沟道FET共同使用Au触点。图6c显示了通过探测重叠位置（图6a中的红点）一次获得的来自两个薄片的拉曼光谱。根据图6d的输出曲线特性，尽管Au和p-WSe₂之间的接触电阻看起来很严重，但p沟道和n沟道JFET仍能很好地工作。由于接触电阻的这种缺陷，p-WSe₂ JFET表现出较差的I–V特性，只有几nA的ON状态，而p沟道WSe₂的导电性较差，导致其对n-MoS₂ JFET的栅级不足。因此，如图6d，e的输出和传输特性所示，p-WSe₂/n-MoS₂系统中的n-MoS₂ JFET的导通状态ID比p-MoTe₂/n-MoS₂ JFET情况的导通状态ID低一个数量级。但是，此p-WSe₂/n-MoS₂ JFET器件的演示仍支持任何p-TMD/n-TMD JFET通常原则上都使用两个沟道工作。

图6 p-WSe₂/n-MoS₂ JFET

a.SiO₂/p-Si上p-WSe₂/n-MoS₂ JFET的OM图像。比例尺= 10μm。b. p-WSe₂和n-MoS₂沟道JFET的3D示意性横截面。Au用作两个沟道的接触金属。c.通过探测a中的红点获得的WSe₂和MoS₂的拉曼光谱。d. p-WSe₂和n-MoS₂沟道JFET的I_D–V_DS输出特性。p-WSe₂和n-MoS₂沟道JFET的I_D-V_GS传输特性

总而言之，本研究将vdW JFET制成了平面电流器件，在半导体p-MoTe₂和n-MoS₂TMD之间具有异质结。由于当p型材料用作n沟道的栅极时，该vdW JFET在异质结界面处将具有低密度陷阱，反之亦然，因此实现了0.05–0.1V的微小迟滞和100mV/dec的良好亚阈值摆幅（SS）。此外，vdW JFET始终在〜1V的低漏极电压下表现出易于饱和的特性，并且在接近0V的阈值下再现性地显示出较低的工作栅极电压（p-JFET为+0.2V，n-JFET为-0.2V）。普通的vdW 2D MISFET很少同时实现上述特性。对于具有MoS₂沟道的n沟道JFET，ZG迁移率达到〜>500cm²/V·s，而具有MoTe₂的p沟道JFET的迁移率要低出一个数量级（〜13cm²/V·s）。这些值与2D FET的先前结果相当或接近。对于低压JFET器件，观察到的开/关电流比为〜> 10⁴。带有超薄vdW 2D TMD的两个沟道JFET的操作被认为是独特的，不同于一般的三维（3D）JFET和MISFET的操作，并且原则上两个相对的（p和n）沟道可以用作彼此的栅极。实验也通过另一个p-TMD / n-TMD JFET（p-WSe₂/n-MoS₂结） 再次证实了这一原理。因此，可以得出的结论是，类似于2D的超薄沟道JFET在其工作原理，结构和制造简便性方面都足够新鲜，可以影响基于2D半导体的纳米电子学的未来。

本研究使用的SKPM测量是在具有非接触模式的Park XE7进行的。在SKPM成像中， 镀金的探针（PPP-NCSTAu， nanosensors）施加了1.5 V的交流偏压（频率为17kHz）。

Park XE7原子力显微镜

该研究使用了Park XE7原子力显微镜设备完成。Park XE7是一款具备优质性能和ZG性价比的研究型原子力显微镜。

- 通过消除扫描器串扰进行准确的XY扫描

- 具有全面的原子力显微镜解决方案

- 人性化设计的软件和硬件功能

- 可满足各种条件下，对各种样品进行非接触式扫描