Advanced Materials: 原子级厚度h-BN作为隧穿层制作高迁移率MoS2晶体管

近几年，过渡金属硫化物（TMDs，比如MoS2）因具有宽能隙（单层能隙为1.8eV，多层能隙为1.2eV）和高迁移率等特性，引起科学家的广泛关注。基于MoS2的场效应晶体管（FETs）被证实有高到10^8的开关比，和65mV/dec-1近完美亚阈摇摆值。尽管MoS2/SiO2的声子限制迁移率最高可达410cm2/v·s，很多报道的室温下场效应迁移率仍然远低于该值。由于为电子注入而形成的肖特基势垒很大程度限制了FETs的性能，接触电阻是导致迁移率过低的重要原因之一。关于改善接触电阻的研究有很多，比如，氯离子掺杂方法可以提高电子掺杂水平，降低接触电阻，虽然这个方法可以有效地转变阈值电压，但是需要掺杂整个MoS2薄片。最近，科学家想出了一种降低接触电阻的新方法:  通过在接触界面插入一个超薄隧穿层，从而形成金属-绝缘体-半导体（MIS）结构。

近日，武汉大学廖蕾（通讯作者）等人利用CVD法制备的六方氮化硼（h-BN）作为隧穿层，降低了肖特基势垒高度，改善了金属-MoS2的接触，制作出高迁移率的场效应晶体管。由于1-2层h-BN的原子级厚度，隧穿电阻很小，肖特基势垒显著降低。对在接触界面插入超薄h-BN层的样品表征发现，肖特基高度低至31meV，接触电阻为1.8kΩ/um。随着h-BN厚度的增加，其降低肖特基势垒高度的作用降低，增加了隧穿电阻。通过优化隧穿接触，一个典型的FET在室温下有73cm2/V·s的场效应迁移率和330uA/um的输出电流，温度为77k时，迁移率和输出电流分别增加至321.4cm2/V·s，572uA/um。同时，研究者在低温下观测到了负微分电阻（NDR）效应，这可以归因于自加热效应，说明散热的重要性。该工作加深了科学家对MIS接触的理解，为实现MoS2的低接触电阻提供了一种有前景的方法。

【图文解读】

图1 （a-c）器件的制备过程；（d） 器件的SEM成像、光学成像和剖面结构示意图；（e） CVD生长的h-BN薄膜边缘的AFM成像；（f）MoS2与h-BN的界面剖面高分辨透射电子显微镜（HRTEM）成像

图2 （a）不同接触的FETs的输运特性曲线，实心圆点代表带有金属接触的FETs，空心圆点代表带有CVD h-BN隧道层的FETs，沟道长度为2µm，Vds=1V；为了降低MoS2厚度造成的影响，实验所测器件的MoS2厚度为5层；（b）背栅偏压与迁移率的变化曲线；（c）在有/无h-BN隧道层的情况下，不同偏压下，器件的Ids-Vds曲线：在Vds较低的情况下，无论有无h-BN隧道层，器件的输出曲线呈现较好的线性关系；但是具有h-BN隧道层的器件具有更高的输出电流；（d）Ni/Au接触的简单能带示意图，由于金属诱导能隙态（MIGS）的渗透，该接触为肖特基接触，其接触势垒很高；（e）h-BN/Ni/Au接触的简单能带示意图，由于h-BN层的厚度很薄，隧道电阻很小，因此，其肖特基势垒高度是相对降低的；此外，由于MIGS的最小渗透，也使得肖特基势垒高度相对降低；（f）h-BN/Ni/Au接触的简单能带示意图：由于界面的双极子，势垒高度是降低的；由于金属费米能级和h-BN电荷中性能级之间的电荷输运作用，致使金属/h-BN双极子的产生；由于h-BN和MoS2之间的电荷中性能级不重合，致使在范德瓦尔斯异质结中产生双极子。

图3 （a-c）当h-BN层的厚度分别为0层（a）、1-2层（b）和3-4层（c）时，在不同背栅偏压下的阿累尼乌斯曲线；每条直线的斜率代表对应栅极偏压下的肖特基势垒高度；（d-f）当h-BN层的厚度分别为0层（d）、1-2层（e）和3-4层（f）时，不同背栅偏压下的肖特基势垒高度。

图4 （a-c）当h-BN层分别为0层（a）、1-2层（b）和3-4层（c）时，不同背栅偏压下，器件的总电阻和接触电阻；（d-f）当h-BN层分别为0层（d）、1-2层（e）和3-4层（f）时，不同沟道长度情况下，器件的背栅偏压和场效应载流子的函数变化曲线。

图5 （a-b）具有金属接触（a）或者h-BN隧道层（b）FETs的转移输性曲线，沟道长度为2µm，Vds=0.1V；对于Ni/Au接触，当Vg > 30V时，传导率随着温度的升高而降低；当Vg < 30V时，传导率随着温度的升高而升高；对于h-BN/Ni/AU接触，转折点降至-10V；（c-d）具有金属接触（c）或h-BN隧道层（d）的FETs的温度和迁移率的关系曲线，指数系数对于Ni/Au接触为1.18，对于h-BN/Ni/Au接触为1.28。

【总结】

研究者利用1-2层h-BN作为隧道层，制备出具有低肖特基接触势垒的高迁移率MoS2场效应晶体管。由于h-BN层具有原子级厚度，其隧道电阻很小，致使肖特基势垒极大地降低。当h-BN厚度增加时，对肖特基势垒高度没有影响，但会使隧穿电阻增加。通过对h-BN层的厚度优化，具有h-BN/Ni/Au接触的晶体管具有低至31meV的肖特基势垒和低至1.8kΩ的接触电阻。通过对隧穿接触进行优化，一个典型晶体管在室温下，具有高至73cm2/V·s的场效应迁移率和低至330uA/µm的输出电流，在77K温度下，场效应迁移率升高至321.4cm2/V·s，输出电流增加至572uA/µm。

文献链接：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）

本文由材料人编辑部灵寸供稿，材料牛编辑整理。

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