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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202418615?saml_referrer
摘要
过渡金属二硫化物（TMDs）作为原子级薄的半导体，因其高迁移率和构建范德华异质结构的潜力，被视为下一代电子器件的有力候选材料。然而，场效应晶体管（FET）中对阈值电压（Vth）的精准控制仍是重大挑战，阻碍了二维材料电路在定制化电子功能方面的发展。本文提出了一种石墨烯辅助的一步范德华集成技术，用于制造多阈值二维功能电路。石墨烯表面无悬挂键的独特特性被用作中间层，使各种功函数的电极和高-κ介质层能够在二维通道材料上一步完成转移。利用此技术，成功制备了以铝为栅极的MoS2 FET（Vth为−0.2 V）和以金为栅极的MoS2 FET（Vth为1.9 V）。这种精确性支持了大噪声裕度轨到轨反相器等功能器件的开发。此外，进一步实现了更复杂的多阈值二维电路，包括基本逻辑门（NOT、NAND、NOR）、六晶体管静态随机存取存储器（6T-SRAM）和环形振荡器（RO）。这项工作展示了一种可扩展且高效的二维材料电路阈值电压工程策略，为复杂电子和光电子应用开辟了新方向。
研究背景和主要内容
二维半导体，特别是过渡金属二硫属化物 (TMD)，由于其原子级薄度和高迁移率，作为下一代电子产品的有希望的候选材料而备受关注。最近的研究主要集中在开发基于二维材料的功能电路，这些电路通过堆叠不同材料实现超薄二维沟道和创建范德华 (vdW) 异质结构，已显示出克服传统硅基技术局限性的潜力。尽管取得了这些进步，但实现高性能二维材料电路的一个关键挑战是精确控制场效应晶体管 (FET) 的阈值电压 ( V th )。 准确的V th控制对于优化开关行为、功耗和整体器件性能至关重要，同时要确保适当的电压电平匹配和高噪声裕度。在传统的硅技术中，Vth调整通常通过掺杂工程来实现，例如离子注入或化学取代。然而，这些方法对 2D 材料的效果较差，因为它们具有表面敏感性，并且会引入缺陷，从而降低载流子迁移率和器件性能。这种限制是开发复杂电子功能所需的定制阈值电压的2D 材料电路的瓶颈。
栅极电极的功函数调制已成为二维集成电路阈值电压控制的有效策略。通过选择具有不同功函数的栅极材料，可以精确设计Vth。该方法涉及在二维半导体上使用具有不同功函数的顶栅金属及其电介质层。然而，在二维材料上集成电介质存在挑战，特别是在沉积均匀的高κ电介质如二氧化铪 (HfO2) 时，这是由于无悬挂键的表面和缺陷位置的随机成核。尝试对二维材料的表面进行功能化以改善电介质沉积可能会在界面处引入缺陷和陷阱态，从而对载流子迁移率和阈值电压稳定性产生负面影响。
在本研究中，我们介绍了一种新颖的石墨烯辅助一步范德华积分法，用于制造多阈值二维功能电路。利用石墨烯表面无悬空键的独特性质，我们利用它作为中间层，只需一个步骤即可将具有不同功函数的电极和高κ介电层转移到二维沟道材料上。使用此方法，我们制造了V th分别为 −0.2 和 1.9 V 的铝栅 MoS2 FET 和金栅 MoS2 FET 。由于栅极堆栈和二维材料之间的原子级尖锐界面，MoS2 FET 表现出出色的静电控制，使我们能够探索功能器件应用，例如具有大噪声容限的轨到轨反相器。此外，还实现了更复杂的多阈值二维电路，包括基本逻辑门（NOT、NAND、NOR）、六晶体管静态随机存取存储器（6T-SRAM）和环形振荡器（RO）。这项工作展示了一种可扩展且有效的二维材料电路阈值电压工程策略，为先进的电子和光电子应用铺平了道路。
图1 石墨烯辅助一步范德华力集成。a) 多阈值二维功能电路的示意图。在 Gr/Ge 衬底上预制具有多层顶栅结构的电路。从 Gr/Ge 衬底上剥离的电路。将电路转移到蓝宝石衬底上的目标 MoS2沟道上。b)通过 n 掺杂低功函数 ( Wm ) 栅极金属，在 MoS2/蓝宝石衬底上形成多阈值 FET（如图1a中的红色框所示 ）。c ) Gr/Ge 衬底上预制功能电路的光学图像。d) 通过 PVA 印章从 Gr/Ge 衬底上剥离的功能电路的光学图像，如 (c) 中的红色框所示。e) 将功能电路转移到 MoS 2 /蓝宝石衬底上。环形振荡器的放大光学显微镜图像，如红色框所示。 f) 转移 至接触区域的Au/MoS2的横截面 TEM 图像。g) (f) 红色框中放大区域的 STEM-BF 图像和 EDS 映射。h) 转移至栅极区域的 HfO2 /Al2O3/MoS2的横截面 TEM 图像 。i) (h) 红色框中放大区域的 STEM 图像和 EDS 映射。比例尺：2 纳米。
图2 转移顶栅 MoS2晶体管的电气特性。a) 转移顶栅 MoS2晶体管阵列的转移曲线。（VDS = 0.5 V，Al金属栅极）插图：转移顶栅 MoS2晶体管的光学显微镜图像。b–d) 转移顶栅 MoS 2晶体管阵列的统计电气特性。b) 开关比，c) SS，d) Vth。e ) 转移顶栅 MoS2晶体管在不同扫描速率下的滞后曲线。（VDS = 0.5 V）f) 转移顶栅 MoS2晶体管在不同扫描速率下的滞后电压。
