剑桥大学Nature：二维过渡金属二硫化物的 P 型电接触

一、【导读】

数字逻辑电路是基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的n、p型场效应晶体管（FETs）互补对。基于过渡金属二硫属化物（TMD）系列材料的二维半导体虽然具有理想的属性，例如原子般薄的基体，没有悬挂键的下一代电子器件。然而，二维TMD的可控和可靠的替代掺杂具有挑战性——这使得难以实现纯 p 和n型FETs以及实现低电阻接触。尽管可以在二维TMD上实现高质量、低电阻的n型范德华(vdW)接触，但迄今为止尚未实现通过将高功函数的金属蒸发到二维TMD上来获得p型器件。

二、【成果掠影】

近日，剑桥大学Manish Chhowalla教授课题组报道了采用工业兼容的电子束蒸发策略实现了高功函数金属（Pd，Pt）同单层和寡层MoS₂及WSe₂的集成，得到了高性能p型器件。通过原子分辨率成像和光谱学，展示了接近理想的vdW界面，而二维TMD 和三维金属之间没有化学相互作用。通过电子输运测量，费米能级是非固定的，基于vdW接触的p型场效应晶体管在室温下表现出低接触电阻（3.3 kΩ·m）、高迁移率（190 cm²V^-1s^-1）、饱和电流>10-5 Aμm^-1，开/关比为10⁷。同时还展示了一种基于n型和p型vdW触点的超薄光伏电池，其开路电压为0.6V，功率转换效率为0.82%。相关成果以“P-type electrical contacts for two-dimensional transition metal dichalcogenides”发表在Nature上。英国剑桥大学王琰和韩国蔚山科学技术学院Jong Chan Kim为共同第一作者，剑桥大学Manish Chhowalla为论文通讯作者。

三、【核心创新点】

制备的少层和单层的MoS₂和WSe₂展示了高功函数金属（例如Pd、Pt和 Au）的理想vdW接触。这些接触使MoS₂上和WSe₂上的获得p型特性，并且实现了高性能的表现。

四、【数据概览】

图 1 金属-半导体界面的原子分辨率成像和化学分析

多层MoS₂上Pd的原子分辨率图像(i)环形暗场(ADF)STEM图像显示Pd和MoS₂之间干净的界面。比例尺= 1 nm。(ii)从(i)放大的矩形区域显示ADF STEM图像，Mo, S和Pd原子可见。Pd与S的距离为3±0.1 Å。比例尺= 5 Å。b, Pd- MoS₂界面的x射线光电子能谱(XPS)显示只有原始的Pd金属峰，没有PdS₂或其他化学反应的证据。c，电子能量损失光谱(EELS)显示界面上的硫原子完全不受顶部金属沉积的影响。在测量精度范围内，最上层和第四层的硫峰相同。d，多层WSe₂上Pt的原子分辨率图像。(i)界面和(ii从(i)放大的虚线矩形区域的ADF STEM图像。Pt和Se之间的距离为2.3±0.1 Å。比尺在(i)中为1 nm，在(ii)中为5 Å。e, Pt-WSe₂界面的XPS显示原始Pt金属峰。f, EELS表明各层Se原子的电子结构是相似的。© 2022 Springer Nature

图2 具有Pd和Pt触点的多层MoS₂和WSe₂器件

a，与电子电流相比，具有Pd触点的多层MoS₂的传递曲线显示出具有更高空穴电流分支的双极器件特性。W= 5.5 µm，L= 2 µm。 b，具有Pd触点的多层 MoS₂的输出曲线显示了孔的线性电流-电压曲线。c，具有Pt触点的多层WSe₂的转移曲线，显示出纯p型器件特性。W= 12 µm，L= 4 µm。 d，具有Pt电极的多层WSe₂的线性输出特性。e，具有Pd电极的多层MoS₂的TLM结果。f，具有Pt触点的多层WSe₂的TLM结果。g，h，WSe₂ FETs的漏极电流和接触电阻与文献中使用不同方法报道的值的比较。© 2022 Springer Nature

图3 具有高功函数金属接触的CVD生长单层MoS₂和WSe₂

a，ADF STEM图像显示Pt和单层WSe₂之间的干净界面。比例尺= 1 nm。b，具有Pt接触的单层WSe₂的转移曲线显示出纯p型特征。W= 4µm，L= 1.5 µm。c，具有Pt触点的单层WSe₂ FET的输出曲线。d，WSe₂ FET的TLM结果显示接触电阻值约为229 kΩ·µm。e，ADF STEM图像显示Pd和单层MoS₂之间的干净界面。比例尺= 1 nm。f，具有Pd触点的单层MoS₂的转移曲线，显示出具有更高空穴电流分支的双极器件特性。W= 5 µm，L= 1 µm。电子电流值<< 1 nA。© 2022 Springer Nature

图4. 用于MoS₂和WSe₂的具有不对称电极的金属-半导体-金属光电二极管

a，不对称接触二极管的示意图。b，具有In/Au和Pd触点的MoS₂器件的输出曲线显示出良好的整流行为。c，二极管在黑暗和光照（532 nm，70 μW）下的I-V曲线，开路电压为0.48 V，输出功率为267 nW。红色虚线显示了最大功率转换的相应功率区域。d，具有In/Au和Pt触点的WSe₂器件的输出曲线显示出良好的整流行为。e，二极管在黑暗和光照（532 nm，70 μW）下的I-V曲线，表明开路电压为0.6 V，输出功率为572 nW。d，不同照明功率下的I-V曲线显示电流增加和稳定的开路电压。© 2022 Springer Nature

五、【成果启示】

Pd，Pt和Au等高功函金属同单层或寡层MoS₂、WSe₂的清洁接触实现了具有p型特征的新型电子器件。研究结果表明费米能级并未被钉扎，并可以通过栅电压来对其调控。n/p接触能实现PN结二极管，从而有望实现基于p/n互补型FET的二维电子器件。

原文详情：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