Advanced Materials: 原子級厚度h-BN作為隧穿層制作高遷移率MoS2晶體管

近幾年，過渡金屬硫化物（TMDs，比如MoS2）因具有寬能隙（單層能隙為1.8eV，多層能隙為1.2eV）和高遷移率等特性，引起科學家的廣泛關注。基于MoS2的場效應晶體管（FETs）被證實有高到10^8的開關比，和65mV/dec-1近完美亞閾搖擺值。盡管MoS2/SiO2的聲子限制遷移率最高可達410cm2/v·s，很多報道的室溫下場效應遷移率仍然遠低于該值。由于為電子注入而形成的肖特基勢壘很大程度限制了FETs的性能，接觸電阻是導致遷移率過低的重要原因之一。關于改善接觸電阻的研究有很多，比如，氯離子摻雜方法可以提高電子摻雜水平，降低接觸電阻，雖然這個方法可以有效地轉變閾值電壓，但是需要摻雜整個MoS2薄片。最近，科學家想出了一種降低接觸電阻的新方法: ?通過在接觸界面插入一個超薄隧穿層，從而形成金屬-絕緣體-半導體（MIS）結構。

近日，武漢大學廖蕾（通訊作者）等人利用CVD法制備的六方氮化硼（h-BN）作為隧穿層，降低了肖特基勢壘高度，改善了金屬-MoS2的接觸，制作出高遷移率的場效應晶體管。由于1-2層h-BN的原子級厚度，隧穿電阻很小，肖特基勢壘顯著降低。對在接觸界面插入超薄h-BN層的樣品表征發現，肖特基高度低至31meV，接觸電阻為1.8kΩ/um。隨著h-BN厚度的增加，其降低肖特基勢壘高度的作用降低，增加了隧穿電阻。通過優化隧穿接觸，一個典型的FET在室溫下有73cm2/V·s的場效應遷移率和330uA/um的輸出電流，溫度為77k時，遷移率和輸出電流分別增加至321.4cm2/V·s，572uA/um。同時，研究者在低溫下觀測到了負微分電阻（NDR）效應，這可以歸因于自加熱效應，說明散熱的重要性。該工作加深了科學家對MIS接觸的理解，為實現MoS2的低接觸電阻提供了一種有前景的方法。

【圖文解讀】

圖1 （a-c）器件的制備過程；（d） 器件的SEM成像、光學成像和剖面結構示意圖；（e） CVD生長的h-BN薄膜邊緣的AFM成像；（f）MoS2與h-BN的界面剖面高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）成像

圖2 （a）不同接觸的FETs的輸運特性曲線，實心圓點代表帶有金屬接觸的FETs，空心圓點代表帶有CVD h-BN隧道層的FETs，溝道長度為2μm，Vds=1V；為了降低MoS2厚度造成的影響，實驗所測器件的MoS2厚度為5層；（b）背柵偏壓與遷移率的變化曲線；（c）在有/無h-BN隧道層的情況下，不同偏壓下，器件的Ids-Vds曲線：在Vds較低的情況下，無論有無h-BN隧道層，器件的輸出曲線呈現較好的線性關系；但是具有h-BN隧道層的器件具有更高的輸出電流；（d）Ni/Au接觸的簡單能帶示意圖，由于金屬誘導能隙態（MIGS）的滲透，該接觸為肖特基接觸，其接觸勢壘很高；（e）h-BN/Ni/Au接觸的簡單能帶示意圖，由于h-BN層的厚度很薄，隧道電阻很小，因此，其肖特基勢壘高度是相對降低的；此外，由于MIGS的最小滲透，也使得肖特基勢壘高度相對降低；（f）h-BN/Ni/Au接觸的簡單能帶示意圖：由于界面的雙極子，勢壘高度是降低的；由于金屬費米能級和h-BN電荷中性能級之間的電荷輸運作用，致使金屬/h-BN雙極子的產生；由于h-BN和MoS2之間的電荷中性能級不重合，致使在范德瓦爾斯異質結中產生雙極子。

圖3 （a-c）當h-BN層的厚度分別為0層（a）、1-2層（b）和3-4層（c）時，在不同背柵偏壓下的阿累尼烏斯曲線；每條直線的斜率代表對應柵極偏壓下的肖特基勢壘高度；（d-f）當h-BN層的厚度分別為0層（d）、1-2層（e）和3-4層（f）時，不同背柵偏壓下的肖特基勢壘高度。

圖4 （a-c）當h-BN層分別為0層（a）、1-2層（b）和3-4層（c）時，不同背柵偏壓下，器件的總電阻和接觸電阻；（d-f）當h-BN層分別為0層（d）、1-2層（e）和3-4層（f）時，不同溝道長度情況下，器件的背柵偏壓和場效應載流子的函數變化曲線。

圖5 （a-b）具有金屬接觸（a）或者h-BN隧道層（b）FETs的轉移輸性曲線，溝道長度為2μm，Vds=0.1V；對于Ni/Au接觸，當Vg > 30V時，傳導率隨著溫度的升高而降低；當Vg < 30V時，傳導率隨著溫度的升高而升高；對于h-BN/Ni/AU接觸，轉折點降至-10V；（c-d）具有金屬接觸（c）或h-BN隧道層（d）的FETs的溫度和遷移率的關系曲線，指數系數對于Ni/Au接觸為1.18，對于h-BN/Ni/Au接觸為1.28。

【總結】

研究者利用1-2層h-BN作為隧道層，制備出具有低肖特基接觸勢壘的高遷移率MoS2場效應晶體管。由于h-BN層具有原子級厚度，其隧道電阻很小，致使肖特基勢壘極大地降低。當h-BN厚度增加時，對肖特基勢壘高度沒有影響，但會使隧穿電阻增加。通過對h-BN層的厚度優化，具有h-BN/Ni/Au接觸的晶體管具有低至31meV的肖特基勢壘和低至1.8kΩ的接觸電阻。通過對隧穿接觸進行優化，一個典型晶體管在室溫下，具有高至73cm2/V·s的場效應遷移率和低至330uA/μm的輸出電流，在77K溫度下，場效應遷移率升高至321.4cm2/V·s，輸出電流增加至572uA/μm。

文獻鏈接：High Mobility MoS2 Transistor with Low Schottky Barrier Contact by Using Atomic Thick h-BN as a Tunneling Layer（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201602757）

本文由材料人編輯部靈寸供稿，材料牛編輯整理。

歡迎加入材料人編輯部，一起進行材料頂刊學術動態的跟蹤和報道以及SCI相關知識科普等。加入方式：（1）加入材料人文獻檢索群（410109144），私信管理員“成都-小小（QQ:763044722）”報名；（2）點此處報名。