本文介绍了浙江大学赵昱达研究员团队通过缺陷优化策略，成功提升p型WSe2场效应晶体管（FET）性能的研究。研究内容包括缺陷钝化、分子功能化、高功函数半金属TiS2的使用以及接触工程结果。通过温和的分子处理和高功函数TiS2的转移接触，显著提升了p型WSe2 FET的电学性能。该研究为推进基于二维半导体的电子器件发展提供了新的策略。
随着晶体管尺寸的缩小，二维（2D）材料在集成电路中的潜力巨大。然而，WSe2作为有前途的二维p型半导体，其表面缺陷阻碍了高性能p型FETs的实现。
浙江大学赵昱达研究员团队通过使用三氟甲基噻蒽三氟甲磺酸盐（TTT）分子处理WSe2，增加了空穴密度，诱导了缺陷钝化，并提高了空穴输运效率。同时，通过转移高功函数半金属TiS2，避免了金属沉积对材料表面造成的损伤，并促进了高效的空穴输运。优化后的WSe2-CF3-TiS2 FET实现了高达147 cm2/V·s的空穴迁移率，并在200 °C下表现出优异的稳定性。
文章中包含了关于缺陷钝化、分子功能化、高功函数半金属TiS2的使用以及接触工程结果的图表，直观地展示了研究过程和成果。
通过温和的分子处理和高功函数半金属TiS2的转移接触，显著提升了p型WSe2 FET的电学性能。这一性能提升主要归因于两个关键因素：一是TiS2接触防止了金属沉积造成的界面损伤，促进了高效的空穴注入；二是分子处理钝化了缺陷，增强了空穴输运。该研究不仅适用于WSe2，还具有广泛的适用性。
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1.研究背景
在过去的几十年中，随着晶体管尺寸的不断缩小，越来越多的设备被集成到集成电路中。然而，随着硅基晶体管的尺寸接近物理极限，晶体管微型化遇到了瓶颈。二维（2D）材料因其超薄厚度和缺乏悬挂键，在缩放和避免短沟道效应方面展现出巨大潜力。在互补金属氧化物半导体（CMOS）技术中，精确控制和匹配晶体管的极性（n型或p型）至关重要。然而，基于2D过渡金属二硫化物（TMDCs）的场效应晶体管（FETs）主要表现出n型输运行为，主要是因为p型金属-半导体接触的挑战。WSe2作为一种有前途的2D p型半导体，其表面的固有和外在缺陷导致了强烈的费米能级钉扎效应，阻碍了高性能p型FETs的实现。
2.研究内容
有鉴于此，浙江大学赵昱达研究员团队提出了一种有效的缺陷优化策略，重点在于优化接触界面。首先通过使用三氟甲基噻蒽三氟甲磺酸盐（TTT）分子处理WSe2，增加了空穴密度，诱导了缺陷钝化，并提高了空穴输运效率。其次通过转移高功函数半金属TiS2有效地避免了金属沉积对材料表面造成的损伤（WF ~ 5.3 eV），并促进了高效的空穴输运。优化后的WSe2-CF3-TiS2 FET实现了高达147 cm
2
/V·s的空穴迁移率，并在200 °C下表现出优异的稳定性。
（1）缺陷钝化和分子功能化
研究中使用TTT分子对WSe2进行功能化处理，通过共价键合的方式钝化WSe2的内在缺陷。TTT分子提供的CF3功能团与WSe2表面的硒原子或硒空位反应，实现了p型掺杂。通过拉曼光谱和光致发光（PL）光谱对处理前后的WSe2进行表征，结果显示处理后的WSe2-CF3的E2g峰发生蓝移，表明p型掺杂成功。PL峰强度增加，缺陷峰权重降低，进一步证实了缺陷钝化效果。
（2）高功函数半金属TiS2的使用
为了减少金属沉积过程中对2D材料表面的损伤，研究者探索了使用高功函数的2D层状半金属TiS2作为金属接触材料。TiS2展现出高导电性和接近WSe2价带的功函数，有利于p型输运。通过紫外光电子能谱（UPS）测量，确定了TiS2的功函数约为5.3 eV。实验结果表明，使用TiS2接触的WSe2 FET展现出主导的p型特性，而使用传统Au接触的WSe2 FET则表现出n型特性。
（3）接触工程结果
将TTT分子处理和TiS2转移接触相结合，进一步提升了WSe2 FET的p型性能。通过对比不同接触类型的FET（WSe2-Au、WSe2-TiS2和WSe2-CF3-TiS2），发现经过两步处理的WSe2-CF3-TiS2 FET在迁移率，开关比，空穴势垒高度和接触电阻等方面均有显著提升。具体而言，WSe2-CF3-TiS2 FET的空穴迁移率达到146.7 cm
2
/V·s，开关比提高至8.5 × 10
6
，空穴势垒高度降低至43.4 meV,以及接触电阻降低至 21.7 k
Ω μm,
表现出优异的p型性能和热稳定性。
3.图文导读
图 1. 内部和外部缺陷对金属/半导体接触的影响。
(a-b) 高功函数3D金属与 WSe2 理想和实际接触的示意图。(c) 三层 WSe2 薄片在 300 K 空气中不同时间的光致发光（PL）光谱。(e）带有沉积金电极的 WSe2 薄片（上图）和剥离沉积电极后的 WSe2 薄片（下图）的光学图像。底层 WSe2 表面在去除沉积电极时发现被破坏。(f) WSe2 表面沉积金电极的横截面示意图，高能金原子对 WSe2 表面的轰击对 WSe2 表面造成了相当大的破坏。
图 2. 功能化 WSe2-CF3 的光学和电学特性。
(a) WSe2 与 TTT 分子的反应示意图。(b) 原始单层 WSe2 和 WSe2-CF3 的拉曼光谱。WSe2-CF3 的 E2g 模式因 p 型掺杂而出现蓝移。(c) 原始 WSe2 FET 和 WSe2-CF3 FET 的转移曲线。插图是 WSe2-CF3 FET 的示意图，其沟道区被 TTT 分子功能化。(d) 随着反应时间（源极-漏极电压 (Vd) = 1 V）的增加，WSe2-CF3 FET 的迁移率和开关比。插图显示了随反应时间变化的转移曲线。
图 3. 用TiS2接触的 WSe2 FET（WSe2-TiS2 FET）的电学特性。
(a) 不同沟道长度的TiS2 FET的 I-V 曲线。插图为沟道长度为 1 μm 的 TiS2 FET 的转移曲线。(b) TiS2 的 UPS 光谱。(c)热蒸发金和 转移TiS2 电极接触的 WSe2 器件示意图（上）和光学图像（下）。(d) WSe2-Au FET（黑线）和 WSe2-TiS2 FET（红线）的转移曲线。
图 4. WSe2 FET 中三种接触的性能比较。
(a) WSe2-Au FET、WSe2-TiS2 FET 和 WSe2-CF3-TiS2 FET 的转移曲线。插图为 WSe2-CF3-TiS2 FET 的原理图。(b) 三种接触类型的 WSe2 FET 的开关比和迁移率汇总。(c) WSe2-TiS2 FET 的输出曲线。(d) WSe2-CF3-TiS2 的输出曲线 (e) WSe2-TiS2 场效应晶体管随温度变化的转移曲线。(f) WSe2-CF3-TiS2 场效应晶体管随温度变化的传输曲线。
4.总结
通过温和的分子处理和高功函数半金属TiS2的转移接触，显著提升了p型WSe2 FET的电学性能。与原始WSe2 FET相比，优化后的WSe2-CF3-TiS2 FET在开关比和迁移率方面分别实现了20.3倍和21.2倍的提升。这一性能提升主要归因于两个关键因素：一是TiS2接触防止了金属沉积造成的界面损伤，其功函数与WSe2的价带紧密匹配，促进了高效的空穴注入；二是分子处理钝化了缺陷，减少了缺陷引起的n型掺杂效应，增强了空穴输运。该方法不仅适用于WSe2，还具有广泛的适用性，为推进基于2D半导体的电子器件发展提供了新的策略。
5.论文信息
Improvement of P-Type Contact in WSe2 Field-Effect Transistors via Defect Engineering.
Heng Zhang, Jialei Miao, Cheng Zhang, Xinlong Zeng, Tianjiao Zhang, Tingting Chen, Junjie Wu, Kaige Gao, Wei Xu, Xiaowei Zhang, and Yuda Zhao
Nano Letters Article ASAP
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c05970
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