在金属触点在设计高性能单层n型WSe2场效应晶体管中的作用外文翻译资料

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在金属触点在设计高性能单层n型WSe2场效应晶体管中的作用

Wei Liu, Jiahao Kang,Deblina Sarkar, Yasin Khatami, Debdeep Jena,and Kaustav Banerjee,

加利福尼亚大学电气与计算机工程系，圣巴巴拉，加利福尼亚，93106，美国

圣母大学电气工程系，Notre Dame，印第安娜46556，美国

摘要:这项工作提出了一个系统的研究 高性能n型飞机的设计和首次演示 单层二硒化钨(WSe2)场效应晶体管 (FET)通过基于理解选择接触金属 金属和单层之间接触的物理学。 从头计算密度泛函支持的器件测量 理论(DFT)计算表明 接触金属在形成低电阻欧姆 与单层WSe2接触。在此基础上 理解，铟(In)导致小欧姆接触 WSe2的电阻以及WSe2中的背栅fet获得了创纪录的210 mu;A/微米导通电流，这是 迄今为止在任何单层过渡金属二硫族化物(TMD)基FET中实现的最高值。的电子迁移率 142平方厘米 /V s(开/关电流比超过106 )也是在室温下用In wse 2 fet实现的。这是 迄今为止报道的任何背栅单层TMD材料的最高电子迁移率。n型的表现 通过在WSe2顶部沉积Al2O3来抑制库仑散射，进一步改进了单层WSe2 FET。在...下 高介电环境下，Ag wse 2 FET的电子迁移率达到202 cm2 /V s，开/关比超过106 和205 mu;A/mu;m的高导通电流。与最近报道的p型单层WSe2 FET (Fang，h .等人，纳米。 2012，12，(7)，3788-3792)，这一高性能n型单层WSe2 FET的演示证实了 WSe2在互补数字逻辑应用中的潜力。

关键词:2D半导体，接触电阻，场效应晶体管，单层，过渡金属二卤化物，二硒化钨

首次成功展示了一种热力学稳定的二维（2D）材料，这种材料以石墨烯（一片六边形排列的碳原子）的形式存在，具有优异的电学、光学和热机械性能，这为广泛的2D材料及其电子应用开辟了一个新纪元。1然而，石墨烯的零带隙使得石墨烯FET很难关闭，因此不适合用于需要高开/关比的数字电路应用。2因此，随着硅基互补金属氧化物半导体的缩放接近其极限（lt;5 nm），探索具有大禁带和高迁移率的替代原子薄2D材料是非常可取的。3此类具有相对较大带隙的超薄沟道材料由于具有更好的静电性能，可以潜在地最小化短沟道效应，并减少源minus;用于数字电路应用的漏极亚阈值泄漏（从而实现更高的开/关比）。最近，单层过渡金属二卤化物（TMD）是一种排列在六角形晶格中的2D半导体层家族（图1a，b），通过机械剥离4或化学气相沉积生长而成。5,6单层TMD，如MoS2和WSe2（图1c），是直接带隙半导体，带隙（Eg）在1.2范围内minus;1.8eV.7。与硅、锗或III等传统半导体材料相比minus;2D TMD薄膜具有原始的表面，没有悬垂键。这些原始表面可以减少表面粗糙度散射（导致高迁移率），还可以减少界面陷阱，导致半导体上的界面态密度较低minus;电介质界面。2D TMD薄膜的另一个重要特征是其原子厚度，允许高效静电（更容易通过栅极电压控制通道电荷）和高度垂直缩放。已知2D TMD的这些突出特性有利于设计超短沟道FET，主要是由于其衍生材料的“分层”性质，其中相邻层由相对较弱的范德华力连接在一起。

与广泛研究的单层MoS2相比，7针对单层WSe2的研究仍然非常有限。作为一种半导体材料，块状WSe2具有良好的稳定性（图1d），在潮湿环境中比硫化物更耐氧化。14块WSe2晶体器件minus;13

通过高达500 cm2/V·s15（扣除接触电阻后提取）的迁移率进行了研究，表明WSe2在器件应用中具有极好的潜力。更重要的是，最近的实验和理论工作表明，单层WSe2是第一种通过使用高功函数金属（Pd）作为触点观察p型导电行为的TMD材料（实现约250 cm2/V·s16的高FET迁移率）。单层WSe2的这一重要特性为在同一单层WSe2膜上设计和制造互补的数字逻辑电路提供了一种很有希望的可能性，如果通过选择正确接触金属。

然而，人们发现，高接触电阻是能够显著影响块体WSe2 FET（未经接触校正的提取迁移率为100 cm2/V·s）15和单层WSe2 FET器件性能的关键因素。16因此，有必要探索与单层WSe2形成低电阻接触的方法，以实现高性能WSe2 FET。我们最近的理论工作表明，通过合适的接触金属17可以与单层WSe2形成n型欧姆接触，从而为实现n型WSe2 FET的实验选择和探索提供指导。在本文中，我们报道了高性能的n型单层WSe2背栅FET在Vds=3 V时，电流为210mu;A/mu;m，离子/IOFFgt;106，电子迁移率为142 cm2/V·s。在离子/IOFFgt;106的背栅器件上，电子迁移率进一步增强至202 cm2/V·s，在Vds=3 V时，通过在WSe2 FET的沟道区域上沉积高kappa;电介质（Al2O3）层，电流为205mu;A/mu;m。

WSe2薄膜（图2a）是通过在72nm Al2O3/Si（高氮掺杂）衬底上机械剥离大块WSe2（Nanoscience Instrument Inc.NS00182）制备的。在300°C下通过等离子体增强原子层沉积（Oxford FlexAl）沉积Al2O3膜。随后，使用光学显微镜和原子力显微镜（AFM）确定WSe2膜的厚度。研究表明，在可见光光学显微镜下，光学干涉可以从强度对比度中辨别WSe2层的厚度和数量。19图2b显示了与图2a所示样品相对应的WSe2胶片的AFM图像。图2c显示了薄区域（具有最轻的光学对比度）的AFM图像，如图2b中的红色圆圈所示。大致上，该层的厚度约为0.7 nm，相当于单层WSe2的厚度（图2d）。16光学对比度和WSe2层数量的相关性如图2a所示。

在TMD材料家族中，大块WSe2和MoS2具有四种非简并拉曼活性模式：E2g2、E2g1、E1g和A1g。20已经证明，E2g1和A1g模式都具有厚度依赖性行为。21面内E2g1模式最初来自两个硫系原子相对于金属原子的异相振动。A1g模式对应于硫系元素原子在相反方向上的平面外振动。薄膜MoS2的拉曼光谱已经得到了很好的研究，有助于确定薄膜的厚度。21,22然而，对于比三个原子层薄的WSe2薄膜，没有这样的研究。图2e显示了单层、三层和块状WSe2薄膜的拉曼光谱。与MoS2薄膜不同，E2g1峰的位置趋于保持不变，而A1g峰的位置（拉曼位移）随着层数的增加而减小，如图2e所示。图2f显示了A1g峰强度的拉曼图。结合WSe2的光学图像（图2a），A1g的强度（图2f）反映了几层WSe2膜的厚度，表明A1g的峰值强度可用于估计几层WSe2膜的厚度。

我们之前的理论工作已经表明，低功函数金属有望通过WSe2实现较小的n型肖特基势垒（SB）高度。17因此，Ti、Ag、In和Al被选为WSe2的潜在接触金属，因为它们的功函数较小，如图3a所示。在72nm Al2O3/Si衬底上制备了背栅WSe2 FET器件。源区和漏区由电子束光刻和金属化确定。图3b显示了背选通单层WSe2 FET的示意图。制作的背栅FET器件的光学显微镜图像如图3c所示。

在这项研究中，所有的测量都是在真空（1times;10mbar）下进行的，在380k退火1h后，在室温下进行，以去除吸收的水分和溶剂分子。据报道，MoS2表面吸附的分子会显著降低器件性能。23这种现象在我们的WSe2 FET器件上也得到了证实。接通电流至少增加了sim;真空退火100次，如支持信息图S1所示。minus;6.

在Ti、Ag、Al和In中，Al的功函数最小。仅基于这一论点，功函数最接近WSe2电子亲和力的Al将导致电子的肖特基势垒最小，从而导致高性能场效应晶体管。正如预期的那样，带有铝触点的WSe2 FET确实表现出如图3d所示的n沟道晶体管行为，因为漏极电流在正栅偏压下增加。然而，身份证minus;Al的Vdsminus;WSe2 FET在低于3 V的Vds值下具有非线性行为。此外，大正背栅偏置的应用(sim;20 V）不能在低Vds（小于3 V）下显著调制Ids，这意味着Al和WSe2之间可能形成肖特基接触。

WSe2场效应晶体管的场效应载流子迁移率可以从Ids的线性区域中提取minus;Vbg（图3d中的插图）曲线，使用mu;=Lgm/W（εε/d）Vds，其中L是沟道长度，W是沟道宽度，ε是8.854times;10F·m，对于原子层沉积（ALD）生长的Al2O3，ε约为8，d是Al2O3的厚度（72 nm）。电子迁移率由10个Al计算得出minus;WSe2 FET小于0.1 cm2/V·s。然而，这种估计忽略了触点中的显著电压降，因此不是迁移率的真实测量值。为了提取场效应迁移率，必须形成欧姆接触。我们将在下一节中展示这种接触在Ti/in/Ag中是可能的minus;WSe2 FETs。从这项研究中，我们发现铝形成了高电阻肖特基接触，这与仅从功函数参数得出的结论相反。因此，对问题进行更仔细的分析有助于设计低电阻触点。因此，有必要分析金属的物理性质minus; 探索金属如何影响单层WSe2的电子结构。采用从头算密度泛函理论（DFT）计算模拟了铝合金minus;WSe2系统的精神与之前在相关TMD材料中的研究类似。17,24R00 minus;12minus;1.R

与艾尔相比minus;WSe2系统，一个Agminus;WSe2系统也以同样的方式进行了模拟。图4a，g分别显示了单层WSe2与Al（111）和Ag（111）之间界面处松弛接触区域（能量最低）的侧视图。这些优化的界面结构是使用商业工具ATK计算的。18.基于图4a，g所示结构，计算了单层WSe2（图4b）在选定的W和Se轨道上的状态部分密度（PDO）投影。如图4b（上图）所示，在单层WSe2的费米能级附近几乎没有状态，表明未掺杂单层WSe2的固有电子性质。然而，在单层WSe2上沉积Al或Ag后，EF向导带移动（图4b，中间和底部），表明WSe2是由Al和Ag掺杂的n。然而，与Ag相比minus;WSe2系统，Al的PDOSminus;EF附近的WSe2小得多，表明铝掺杂单层WSe2的能力较弱，从而导致更大的接触电阻。

WSe2的金属掺杂能力也可以通过观察金属上的电子密度来衡量minus;WSe2接口。艾尔minus;WSe2接触区（图4d）的电子密度小于0.01Aring;，如图4e所示，而Agminus; WSe2（图4i）的电子密度大于0.01Aring;，如图4j所示。与Ag相比minus;WSe2（Ag的电子组态，[Kr]5s14d10），Al的低电子密度minus;WSe2界面可归因于Al（Al[Ne]3s2 3p1的电子组态）中缺乏d轨道，导致电子轨道与WSe2有少量重叠。单层TMD晶体的导带边态主要来源于金属（W）d轨道。人们认为，接触金属Ag中的d轨道可以与Se和W中的d轨道杂交，从而产生更好的电子注入，从而形成更低的接触电阻。17,24通过绘制WSe2与Ag的电子色散以及Ag中d轨道与W原子的d轨道的PDO，证实了这种d轨道重叠，如支持信息图S2所示。银minus;与铝相比，WSe2的电子隧穿势垒更小（图4k，0.16 eV）minus;WSe2（图4f，0.6 eV），表明Agminus;WSe2可以形成比Al更好的接触minus; WSe2。Al/Ag与WSe2接触的实验研究和互补的第一性原理建模研究指向一个假设，即具有d轨道的金属（如In、Ag和Ti）可以帮助形成与单层WSe2的欧姆接触。我们的实验结果证实了这一假设，如下一节所示。minus;3.minus;3.

WSe2 FET器件由In、Ag和Ti制成，工艺与前一节所述相同。图5a、c、e显示了分别具有Ti（10 nm）/Au（100 nm）、In（10 nm）/Au（100 nm）和Ag（10 nm）/Au（100 nm）触点的背栅WSe2 FET的传输曲线。它们清楚地显示n-type25行为，开/关比率超过106。值得注意的是，小孔电流（3minus;如图5a、c、e所示，在单层WSe2 FET上观察到高负电压下的5个数量级（低于电子电流）。支持信息图S3解释了这种现象。WSe2 FET（图5a）的场效应迁移率在0.01的范围内，Ti触点被提取，而没有触点修正minus;2 cm2/V·s，类似于使用Ti触点FET（背栅器件）提取的MoS2迁移率。8然而，如图5c，e所示，使用In和Ag触点显著改善了WSe2 FET的电流驱动，这是接触电阻低的结果。所有三种金属Ti、In和Ag的接触都是欧姆接触，与Al的肖特基接触截然不同minus;在WSe2器件中，当Vbg=30V，Vds=3V时，导通电流约为210mu;A/mu;m，如图5d所示。

然而，即使在Vbg=30 V和Vds=3 V时，导通电流也没有饱和，这表明可能存在更高的导通电流。该值甚至大于顶部选通单层MoS2 FET26的记录电流（Vtg=6V和Vds=3V时，离子=172mu;A/mu;m）。这种高导通电流对应于3.25times;107A/cm2的电流密度，约为50minus;比纳米级集成电路中使用的铜互连的最大可持续电流密度大60倍，27，仅比石墨烯低约一个数量级。28如图5d所示，Idsminus;同一场效应管的Vds曲线呈现线性行为，这在单层和双层MoS2场效应管上已被普遍观察到。29入侵检测系统的线性行为minus;In的Vds曲线minus;WSe2 FET表明minus;WSe2触点本质上是欧姆接触。

在没有接触修正的情况下，提取了In的场效应（电子）迁移率minus;WSe2（monolilayer）场效应晶体管（FET）的接触电阻为142 cm2/V·s，这是由于它的接触电阻很小，并且具有高介电常数的衬底（Al2O3）。单层WSe2的电子迁移率值（142 cm2/V·s）可与在双端背栅FET器件15上测量的大块WSe2的电子迁移率值（100 cm2/V·s）相媲美，并且在以Pd为触点测量的掺杂NO2的p型单层背栅WSe2 FET中的空穴迁移率（140 cm2/V·s）可与之媲美。16良好的接触材料应具有高导电性，并且必须同时具有化学和热稳定性。尽管In与WSe2的接触电阻较低，但它与基板的附着力较差，熔点较低（156°C），这可能会限制其作为接触金属的使用。因此，有必要探索其

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