国家纳米科学中心何军Adv. Mater. : 揭示范德华双极半导体的传导行为

【引言】

原子级薄范德华半导体(vdWS)作为新一代光电器件的良好材料而备受关注。然而，在不同vdWS中仍然存在争议的基本问题是其传导行为的真实起源(如传导类型)。由于vdWS的原子级薄的厚度以及未经掺杂，难以利用传统半导体理论解释这一问题。特别是双极传导行为，即电子在正栅极偏压(n极性)下传输，空穴在负偏压(p极性)下传输，已在许多vdWS中观察到，例如MoTe₂、WSe₂和黑磷。然而，双极性vdWS的传导行为的潜在机理仍然难以捉摸。到目前为止，已经在许多新材料中观察到双极行为，如碳纳米管(CNT)。然而，对于像CNT这样的极低维系统，触点可能主导传输行为。例如，研究人员已发现CNT用于肖特基势垒场效应晶体管(SBFET)，其中双极传导主要来自电子和空穴通过触点处的肖特基势垒注入。最近，研究人员将SBFET模型用于分析黑磷基晶体管，并且发现能够解释其双极传导特征。但是这一模型是否可以推广到其他vdWS仍然悬而未决。

【成果简介】
近日，国家纳米科学中心何军研究员(通讯作者)等从分析和理论上对双极性vdWS的传导行为进行了研究，并在Adv. Mater.上发表了题为“Uncovering the Conduction Behavior of van der Waals Ambipolar Semiconductors”的研究论文。数值模拟结果表明肖特基势垒场效应晶体管(SBFET)模型可以完全解释双极性vdWS。基于上述结果，作者发现在改变层厚的同时广泛观察到的导电极性转变主要来自金属/vdWS界面处的能带对准的调谐。通过在vdWS和基板之间引入惰性hBN层，可以抑制/反转这种转变。 通过第一性原理计算，证明金属/vdWS/衬底相互作用在调整肖特基势垒高度中起着至关重要的作用，最终决定了双极性vdWS表现出的传导行为。

【图文简介】
图1 以MoTe₂器件为例验证SBFET模型

a) 在室温下测量的MoTe₂器件的漏极电流-栅极电压特性曲线(红色空心圆)，蓝线表示根据SBFET模型的模拟结果，内插为该装置的相应光学显微镜图像，三种不同电荷载流子注入模式标记为i-iii；
b) 不同栅极电压范围下的能带示意图，其中黄色方块、红色和蓝色球分别代表金属触点、电子和空穴；
c) V_GS=80 V、30 V、0 V和-80 V时ln(I_DS/T^3/2)和1000/T之间的关系；
d) 不同栅极电压下的某一接触端子处的能带示意图。

图2 MoTe₂/WSe₂基SBFET随厚度变化的传导行为

a,c) 不同层数的MoTe₂和WSe₂的漏极电流密度-有效栅极电压特性曲线(空心圆)，实线为根据SBFET模型的相应模拟结果；
b,d) 抽取的MoTe₂和WSe₂的本征肖特基势垒高度随层数的变化。

图3 完全置于hBN上的MoTe₂ SBFET电子特性

a) 单层MoTe₂置于厚hBN上器件的光学显微镜图像；
b) 0.1、0.3和0.5 V偏压下的漏极电流密度-栅极电压曲线(空心点)，实线为根据SBFET模型的模拟结果；
c) 不同栅极电压下的漏极电流-偏压关系；
d) 不同的栅极电压下ln(I_DS/V_DS^3/2)和1/V_DS之间的关系；
e) 偏压范围为0.1~3 V时ln(I_DS/T^3/2)与1000/T的Arrhenius曲线；
f) 在小(上)和大(下)偏压下的能带示意图。

图4 接触条件对MoTe₂和WSe₂ SBFET电子性能的影响

a) 具有SiO₂(顶部)和hBN(底部)接触区域的器件示意图，其中红色和浅蓝色实心圆圈代表电子和空穴，黄色、绿色、深蓝色和粉红色球分别代表硫属元素(Te或Se)、过渡金属(Mo或W)、B和N元素；
b) 不同偏压下，MoTe₂器件在SiO₂上的全部(实线)和沟道部分(虚线)的漏极电流密度-栅极电压特性曲线；
c) 不同偏压下，WSe₂器件在SiO₂上的全部(实线)和沟道部分(虚线)的漏极电流密度-栅极电压特性曲线。

图5 衬底对MoTe₂肖特基势垒影响的DFT计算

a) MoTe₂/Cr和Cr/MoTe₂/SiO₂系统的原子结构，其中虚线表示模拟单元，顶部和底部为相应系统的顶视图，中部为侧视图；
b) MoTe₂/Cr系统和原始MoTe₂的能带结构；
c) Cr/MoTe₂/SiO2系统和原始MoTe₂的能带结构；
d) 在hBN(顶部)和SiO₂(底部)上具有接触区域的器件电荷注入示意图，其中红色和蓝色箭头分别表示电子和空穴的注入。

【小结】

综上所述，作者通过实验数据与数值模拟相结合，已经证明了包括MoTe₂和WSe₂的vdWS的双极传导行为可用SBFET模型完全解释，其中总电流由电子和空穴分支组成，对于其中任一支，隧道效应和热电子发射都可以根据能带弯曲条件(即有效的肖特基势垒高度)做出贡献。之后作者使用该模型来解释降低层厚同时双极vdWS的传导极性转换现象(从n主导到p主导或甚至纯“p型”)。这一转变显然是因为电子和空穴之间的固有肖特基势垒高度比的增加(q_φiBe/_φiBh)。然而，将vdWS完全或部分(仅接触区域)置于惰性hBN层上可抑制这种转变。通过从头计算，作者证实金属/ vdWS /衬底之间的相互作用决定了肖特基势垒高度，进而决定了SBFET表现出的传导行为。该工作不仅对双极性vdWS的传导极性调制进行了一般性的解释，而且还有助于重新考虑相关领域中观察到的实验现象。

文献链接：Uncovering the Conduction Behavior of van der Waals Ambipolar Semiconductors (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201805317)

本文由材料人编辑部abc940504【肖杰】编译整理。

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