Nature Electronics：基于二维TMDs电子器件开发中的关键挑战

【研究背景】

基于二维（2D）过渡金属二硫族化合物（TMDs）的电子器件正在快速发展。最近的进展包括：基于单层二硒化钨（WSe ₂ ）的场效应晶体管（FETs）,其室温迁移率超过1,000 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ ; 基于单层二硫化钼（MoS ₂ ）的n型场效应晶体管,其接触电阻值接近量子极限；以及用于有源像素传感器的大规模场效应晶体管阵列。二维TMDs现在也已经确定地被列入了包括台湾积体电路制造公司、英特尔、Imec和三星在内的多家公司的技术路线图中。然而，在这些器件能够更广泛地实现实际应用价值之前，仍需要以一种与工业兼容的方式解决一些关键挑战。

【文章介绍】

鉴于此，剑桥大学的王琰和Manish Chhowalla等人在Nature Electronics期刊上发表了题为“Critical challenges in the development of electronics based on two-dimensional transition metal dichalcogenides”的前瞻性文章。在这篇文章中，探讨了基于二维TMDs开发电子器件所涉及的挑战。本文强调了三个关键问题：掺杂、低电阻接触以及与工业兼容的高介电常数（k）介质。本文认为，这些挑战源于二维TMDs充满点缺陷的事实，如带电的硫族空位和同价杂质，而这是业界一直不愿在电子器件性能背景下公开讨论的问题。二维TMDs中的缺陷对器件性能产生了一系列不利影响，包括导通电流、阈值电压的变化和载流子迁移率。对于光学和光子学应用，二维TMDs中点缺陷的影响不那么显著，但对于电子学应用，降低缺陷浓度至关重要。例如，二维TMDs的光致发光量子产率可以接近100%，但由于散射、载流子复合和接触不良等问题，电致发光产率通常低于几个百分点。

【图文导读】

图 1. 二维TMDs中的缺陷。a, 具有不同点缺陷的单层TMD示意图。b, 单层MoS ₂ 的高角环形暗场扫描透射电子显微镜图像，显示不同类型的空位（单硫空位（V _S ，黄色圆圈），双硫空位（V _2S ，橙色圆圈）和较少观察到的单钼空位（V _Mo ，绿色圆圈））。c, 单层MoS ₂ 的局部态密度（LDOS），显示了靠近导带边缘的硫空位产生的带隙内态。V _S 位置在插图中用虚线圆圈突出显示。E为能量；E _F 为费米能级。d, 使用不同方法制备的WSe ₂ 的迁移率值与温度的比较。大多数值在10-200 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ 范围内。在低缺陷密度的WSe ₂ 中，室温迁移率达到约1,000 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ ，低温值达到约50,000 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ 。e, 通过化学气相输运（CVT）（左）和两步通量法（右）生长的单晶WSe ₂ 的扫描隧道显微镜（STM）图像。CVT样品中的缺陷（暗点）清晰可见，而在两步通量法样品图像中没有明显的缺陷特征。f, 同一位置MoSe ₂ 薄片的导电原子力显微镜（CAFM）（左）和STM（右）图像。

图 2. 二维TMDs的电接触。a-c, 分别使用铟(a)、铋(b)和锑(c)作为源极和漏极接触的二维MoS ₂ 沟道场效应晶体管的转移特性曲线。结果显示由于低接触电阻，场效应晶体管的导通电流超过10 µA µm ⁻¹ 。V _ds 是源极和漏极之间施加的电压。a和c中的插图是金属/MoS ₂ 界面的截面扫描透射电子显微镜（STEM）图像。c中的比例尺为1 nm。b中的插图是铋和MoS ₂ 界面的态密度（DOS），显示MoS ₂ 被金属接触高度掺杂。CB为导带；VB为价带。d, 具有范德瓦尔斯（vdW）铂接触的单层WSe ₂ 沟道场效应晶体管的转移曲线，显示纯p型特性。插图：截面STEM图像显示铂和单层WSe ₂ 之间的清洁界面。e, 不同接触金属和不同范德瓦尔斯间隙大小的MoS ₂ （实心符号，电子接触电阻）和WSe ₂ （空心符号，空穴接触电阻）的接触电阻与载流子浓度的关系。实线（d = 0 Å）表示接触电阻的量子极限，可以看出成熟的半导体技术接近这一极限。虚线表示不同的范德瓦尔斯间隙值。然而，WSe ₂ 的最先进空穴接触电阻仍然比实际要求高一个数量级。

图 3. 二维TMDs的氧化物介质。a, 非理想二维TMD半导体/介质界面的示意图。图中表示了一个有缺陷的非晶氧化物介质。缺陷的存在导致以下效应：(1)电子容易在界面处散射；(2)介质内的电荷杂质形成界面偶极子；(3)介质和半导体之间的电荷转移；(4)未钝化的介质表面与二维TMDs之间的杂化。b, 热平衡下二维TMD半导体和介质界面的能带图。如HfO ₂ 或SiO ₂ 等氧化物绝缘体在靠近导带处有受主型势阱，在靠近价带处有施主型势阱。受主型势阱在空时为中性，被填充时带负电。施主型势阱在被填充时为中性，空时带正电。当二维TMD半导体置于介质上时，由氧化物和二维TMDs之间的任何相互作用创建的界面态可以捕获和释放半导体在界面处的载流子，导致转移特性中的滞后、阈值电压偏移和器件中较高的亚阈值摆幅值。c, 具有非理想界面的n型场效应晶体管的典型转移曲线。大的滞后、大的阈值电压偏移和远高于60 mV dec ⁻¹ 的亚阈值摆幅值是由界面缺陷引起的。y轴截距处的高电流表明来自缺陷和介质的大量电子掺杂。缺陷的存在导致场效应晶体管迁移率低，这从高栅极电压区域的小斜率可以看出（线性转移曲线上的红色虚线圆通常用于提取迁移率）。d, 理想二维TMD半导体/介质界面的示意图，由于两种材料之间存在范德瓦尔斯间隙，缺陷和相互作用最小。e, 无界面相互作用的热平衡下半导体/介质界面的能带图。f, 理想n型场效应晶体管的转移特性，显示高导通电流、高迁移率、无滞后、低亚阈值摆幅和小的正阈值电压。

【总结展望】

基于二维TMDs开发电子器件的核心挑战在于实现低缺陷的晶圆级合成，这对于创建本征沟道和潜在的掺杂策略至关重要。开发金属/半导体和半导体/介质之间的清洁范德瓦尔斯界面也是实现高性能场效应晶体管的关键。特别是需要一种与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容，且不会对二维TMD沟道产生不利影响的高k介质。此外，至关重要的是，任何在器件性能方面的突破现在都必须考虑到工业兼容性、可扩展性和稳定性，以确保创新是实用的、可重复的，并且适合广泛采用。

【文献信息】