AM: 溶液法制備高性能P型WSe2薄膜晶體管及CMOS器件應(yīng)用

01 全文速覽

通過(guò)打印或者印刷二維 （2D）半導(dǎo)體納米片溶液可實(shí)現(xiàn)低成本電子器件集成。該工作通過(guò)溴分子摻雜WSe2 晶體管，實(shí)現(xiàn)高性能P型二維材料薄膜晶體管，其空穴遷移率達(dá)到27 cm2 V-1 s-1，且具有~107 的高開/關(guān)比。此外，基于溶液法制備的p型WSe2 和n型MoS2的互補(bǔ)反相器（CMOS）展現(xiàn)出1280的超高增益。

02 背景介紹

近年來(lái)，二維層狀材料因其出色的電學(xué)和機(jī)械性能，在柔性和可穿戴集成器件領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。特別是，各種二維材料的單晶納米片可以分散在溶液中，形成n型和p型的半導(dǎo)體油墨，進(jìn)而通過(guò)高可加工性和低成本的圖形印刷技術(shù)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)電路。溶液法制備的n型 MoS2薄膜晶體管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高電子遷移率（超過(guò)10 cm2 V-1 s-1）和開/關(guān)比（大約 106）。具有高遷移率的 P 型二維層狀材料，例如黑磷，由于其低化學(xué)穩(wěn)定性和低氧化勢(shì)壘，不適用于溶液工藝。而化學(xué)穩(wěn)定的材料，包括各種過(guò)渡金屬二硫化物，其溶液法制備P型薄膜晶體管表現(xiàn)出低遷移率（約0.1 cm2 V-1 s-1）和較小的開/關(guān)比（102 - 105），從而限制了大規(guī)模、溶液加工的互補(bǔ)邏輯電路和高性能 p-n 異質(zhì)結(jié)器件的發(fā)展。

不同于機(jī)械剝離或者CVD制備的單片二維晶體管，溶液法制備的二維薄膜晶體管的溝道是基于許多單個(gè)薄片組裝而形成的連續(xù)的薄膜。研究發(fā)現(xiàn)納米片與納米片界面的電阻值相對(duì)納米片內(nèi)的電阻更高。此外，二維薄膜/金屬處的高肖特基勢(shì)壘也阻礙載流子注入，導(dǎo)致較高的接觸電阻。因而，相對(duì)于P型單片二維材料晶體管，溶液法制備的P型二維薄膜晶體管的器件優(yōu)化難度更大。

03 本文亮點(diǎn)

在本項(xiàng)工作中，我們通過(guò)摻雜Br2分子來(lái)提高溶液法制備的過(guò)渡金屬硫族化合物p型晶體管的性能。

（1）Br2 摻雜的 WSe2 晶體管表現(xiàn)出 27 cm2 V-1 s-1 的場(chǎng)效應(yīng)遷移率，同時(shí)具有接近零伏的閾值電壓和超過(guò) 107 的電流開/關(guān)比。

（2）密度泛函理論 （DFT） 計(jì)算表明，Br2 分子可以物理吸附在WSe2表面上，覆蓋率高達(dá) 》1/4，并且在最高價(jià)帶附近引入淺受體態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)P型摻雜。

（3）Br2 摻雜可以有效降低肖特基勢(shì)壘和提高半導(dǎo)體溝道電荷傳輸。

（4）此外，Br2分子摻雜的 WSe2 薄膜晶體管表現(xiàn)出出色的開關(guān)循環(huán)和應(yīng)力測(cè)試穩(wěn)定性。

（5）最后，溶液法制備的 p-WSe2 和 n-MoS2 CMOS 反相器的增益超過(guò)1200。

基于其CMOS的環(huán)形振蕩器也表現(xiàn)出1kHz的穩(wěn)定振蕩頻率。

04 圖文解析

▲圖1. 2D TMDs溶液和大面積圖案化薄膜。

本文使用的不同過(guò)渡金屬硫族化合物半導(dǎo)體納米片的油墨是通過(guò)使用電化學(xué)剝離、超聲、清洗、及離心過(guò)程制備。溶液法制備的WSe2 納米片尺寸約為 800 nm，厚度約為2.5 nm。通過(guò)滴涂法，并結(jié)合光刻膠剝離工藝可以在二氧化硅、玻璃、以及PEN柔性襯底上形成致密的圖形化的半導(dǎo)體薄膜。

▲圖 2. 溶液法制備的 WSe2 晶體管的電學(xué)特性。

未處理的WSe2 晶體管的表現(xiàn)出典型的n型主導(dǎo)的雙極特性，且具有較低的空穴遷移率，約為 10-3 cm2 V-1 s-1。在嘗試了各種P型摻雜分子后，我們發(fā)現(xiàn)Br2分子是最有效的摻雜材料。經(jīng)過(guò)Br2分子處理后，實(shí)現(xiàn)了27 cm2 V-1 s-1 的場(chǎng)效應(yīng)空穴遷移率，同時(shí)具有接近零伏的閾值電壓和超過(guò) 107 的電流開/關(guān)比?？昭ㄟw移率增加的主要原因有兩個(gè)：第一個(gè)是由于 Br2 摻雜降低了接觸電阻，第二個(gè)是由于 Br2 摻雜改善了溝道中的電荷傳輸界面處的電阻。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)針對(duì)二維薄膜晶體管選擇摻雜劑時(shí)，摻雜材料的分子大小也至關(guān)重要。此外，Br2分子處理過(guò)的P型WSe2晶體管也表現(xiàn)出較好的快速開關(guān)、連續(xù)測(cè)試及應(yīng)力測(cè)試穩(wěn)定性。

▲圖 3. 光電子能譜和 DFT 計(jì)算結(jié)果。

通過(guò)XPS和UPS光電子能譜，以及DFT計(jì)算，我們也分析了Br2分子P型摻雜的機(jī)理。XPS結(jié)果顯示在 Br2 處理后，W4f 和 Se3d 的結(jié)合能下移了約0.30 eV。UPS結(jié)果也顯示費(fèi)米能級(jí)從-3.87 eV向下移動(dòng)到-4.88 eV。通過(guò)DFT計(jì)算，我們比較了WSe2和 Br2/WSe2 前后電子結(jié)構(gòu)。我們發(fā)現(xiàn)在Br2分子吸附在WSe2表面后，最高價(jià)帶附近可以引入淺受體態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)P型摻雜。該淺受體態(tài)主要來(lái)源于 Br2 σp* 反鍵分子軌道態(tài)。

▲圖 4. 溶液處理的 CMOS 反相器和環(huán)形振蕩器。

最后，我們采用基于剝離的圖案化方法制備了由 p-WSe2 和 n-MoS2 薄膜晶體管組成的 CMOS 反相器及環(huán)形振蕩器。通過(guò)控制溝道寬度將 p-WSe2 和 n-MoS2薄膜晶體管的漏極電流調(diào)整到相同水平，從而獲得高增益。結(jié)果表明在7V的驅(qū)動(dòng)電壓下，可以實(shí)現(xiàn)1280的超高增益。進(jìn)一步，基于其CMOS的環(huán)形振蕩器也表現(xiàn)出1kHz的穩(wěn)定振蕩頻率。

05 總結(jié)與展望

總而言之，本工作通過(guò)使用鹵化物分子的p型摻雜，可以實(shí)現(xiàn)了具有高可靠性和可重復(fù)性的高性能p型二維 WSe2 薄膜晶體管。Br2 摻雜的 WSe2 晶體管表現(xiàn)出出色的工作穩(wěn)定性，包括快速開關(guān)、循環(huán)測(cè)試和應(yīng)力測(cè)試。本工作進(jìn)一步證實(shí)溶液法制備的二維材料集成器件具有優(yōu)異的性能。同時(shí)，由于其低成本和易加工性，可以進(jìn)一步擴(kuò)展至可穿戴生物傳感器和 Si CMOS 上的集成電路等應(yīng)用領(lǐng)域。

審核編輯 ：李倩