劍橋大學Nature：二維過渡金屬二硫化物的 P 型電接觸

一、【導讀】

數字邏輯電路是基于互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的n、p型場效應晶體管（FETs）互補對。基于過渡金屬二硫屬化物（TMD）系列材料的二維半導體雖然具有理想的屬性，例如原子般薄的基體，沒有懸掛鍵的下一代電子器件。然而，二維TMD的可控和可靠的替代摻雜具有挑戰性——這使得難以實現純 p 和n型FETs以及實現低電阻接觸。盡管可以在二維TMD上實現高質量、低電阻的n型范德華(vdW)接觸，但迄今為止尚未實現通過將高功函數的金屬蒸發到二維TMD上來獲得p型器件。

二、【成果掠影】

近日，劍橋大學Manish Chhowalla教授課題組報道了采用工業兼容的電子束蒸發策略實現了高功函數金屬（Pd，Pt）同單層和寡層MoS₂及WSe₂的集成，得到了高性能p型器件。通過原子分辨率成像和光譜學，展示了接近理想的vdW界面，而二維TMD 和三維金屬之間沒有化學相互作用。通過電子輸運測量，費米能級是非固定的，基于vdW接觸的p型場效應晶體管在室溫下表現出低接觸電阻（3.3 kΩ·m）、高遷移率（190 cm²V^-1s^-1）、飽和電流>10-5 Aμm^-1，開/關比為10⁷。同時還展示了一種基于n型和p型vdW觸點的超薄光伏電池，其開路電壓為0.6V，功率轉換效率為0.82%。相關成果以“P-type electrical contacts for two-dimensional transition metal dichalcogenides”發表在Nature上。英國劍橋大學王琰和韓國蔚山科學技術學院Jong Chan Kim為共同第一作者，劍橋大學Manish Chhowalla為論文通訊作者。

三、【核心創新點】

制備的少層和單層的MoS₂和WSe₂展示了高功函數金屬（例如Pd、Pt和 Au）的理想vdW接觸。這些接觸使MoS₂上和WSe₂上的獲得p型特性，并且實現了高性能的表現。

四、【數據概覽】

圖 1 金屬-半導體界面的原子分辨率成像和化學分析

多層MoS₂上Pd的原子分辨率圖像(i)環形暗場(ADF)STEM圖像顯示Pd和MoS₂之間干凈的界面。比例尺= 1 nm。(ii)從(i)放大的矩形區域顯示ADF STEM圖像，Mo, S和Pd原子可見。Pd與S的距離為3±0.1 ?。比例尺= 5 ?。b, Pd- MoS₂界面的x射線光電子能譜(XPS)顯示只有原始的Pd金屬峰，沒有PdS₂或其他化學反應的證據。c，電子能量損失光譜(EELS)顯示界面上的硫原子完全不受頂部金屬沉積的影響。在測量精度范圍內，最上層和第四層的硫峰相同。d，多層WSe₂上Pt的原子分辨率圖像。(i)界面和(ii從(i)放大的虛線矩形區域的ADF STEM圖像。Pt和Se之間的距離為2.3±0.1 ?。比尺在(i)中為1 nm，在(ii)中為5 ?。e, Pt-WSe₂界面的XPS顯示原始Pt金屬峰。f, EELS表明各層Se原子的電子結構是相似的。? 2022 Springer Nature

圖2 具有Pd和Pt觸點的多層MoS₂和WSe₂器件

a，與電子電流相比，具有Pd觸點的多層MoS₂的傳遞曲線顯示出具有更高空穴電流分支的雙極器件特性。W= 5.5 μm，L= 2 μm。 b，具有Pd觸點的多層 MoS₂的輸出曲線顯示了孔的線性電流-電壓曲線。c，具有Pt觸點的多層WSe₂的轉移曲線，顯示出純p型器件特性。W= 12 μm，L= 4 μm。 d，具有Pt電極的多層WSe₂的線性輸出特性。e，具有Pd電極的多層MoS₂的TLM結果。f，具有Pt觸點的多層WSe₂的TLM結果。g，h，WSe₂ FETs的漏極電流和接觸電阻與文獻中使用不同方法報道的值的比較。? 2022 Springer Nature

圖3 具有高功函數金屬接觸的CVD生長單層MoS₂和WSe₂

a，ADF STEM圖像顯示Pt和單層WSe₂之間的干凈界面。比例尺= 1 nm。b，具有Pt接觸的單層WSe₂的轉移曲線顯示出純p型特征。W= 4μm，L= 1.5 μm。c，具有Pt觸點的單層WSe₂ FET的輸出曲線。d，WSe₂ FET的TLM結果顯示接觸電阻值約為229 kΩ·μm。e，ADF STEM圖像顯示Pd和單層MoS₂之間的干凈界面。比例尺= 1 nm。f，具有Pd觸點的單層MoS₂的轉移曲線，顯示出具有更高空穴電流分支的雙極器件特性。W= 5 μm，L= 1 μm。電子電流值<< 1 nA。? 2022 Springer Nature

圖4. 用于MoS₂和WSe₂的具有不對稱電極的金屬-半導體-金屬光電二極管

a，不對稱接觸二極管的示意圖。b，具有In/Au和Pd觸點的MoS₂器件的輸出曲線顯示出良好的整流行為。c，二極管在黑暗和光照（532 nm，70 μW）下的I-V曲線，開路電壓為0.48 V，輸出功率為267 nW。紅色虛線顯示了最大功率轉換的相應功率區域。d，具有In/Au和Pt觸點的WSe₂器件的輸出曲線顯示出良好的整流行為。e，二極管在黑暗和光照（532 nm，70 μW）下的I-V曲線，表明開路電壓為0.6 V，輸出功率為572 nW。d，不同照明功率下的I-V曲線顯示電流增加和穩定的開路電壓。? 2022 Springer Nature

五、【成果啟示】

Pd，Pt和Au等高功函金屬同單層或寡層MoS₂、WSe₂的清潔接觸實現了具有p型特征的新型電子器件。研究結果表明費米能級并未被釘扎，并可以通過柵電壓來對其調控。n/p接觸能實現PN結二極管，從而有望實現基于p/n互補型FET的二維電子器件。

原文詳情：Wang, Y., Kim, J.C., Li, Y. et al. P-type electrical contacts for two-dimensional transition metal dichalcogenides.Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05134-w