Настраиваемое p–n-переключение в многослойных MoTe₂ транзисторах и их применение в дополнительных инверторах

Аннотация

И p-, и n-типа MoTe₂ транзисторы необходимы для построения дополнительных электронных и оптоэлектронных схем. В этой работе мы демонстрируем воздушностabile p-тип многослойный MoTe₂ транзистор с Au-электродами и показываем, что прибор можно превратить в n-тип путем отжига в вакууме. Температурно-зависимые in-situ измерения, подтвержденные расчетами из первых принципов, раскрывают, что внутреннее n-проводение возникает от теллуридных вакансий, тогда как воздействие окружающей среды индуцирует зарядовый перенос с оксидно-водным редокс-парой, стабилизируя p-работу. Используя оба типа каналов, мы изготовили дополнительный инвертор с напряженным усилением до 9 при V_DD = 5 В.

Введение

Двумерные (2D) материалы, такие как графен, можно эксфолировать в атомно тонкие слои, открывая новые пути для изучения 2D-физики и прикладных устройств [1–9]. Переходно-металлические дихалькогениды (TMDs) обладают заметными запрещенными зонами и проявляют механическую гибкость и химическую инертность, что делает их привлекательными для полевых транзисторов следующего поколения, инверторов, светодиодов и гетероструктур ван-дер-Ваальса [2–28].

2H-молибдендителлурид (2H-MoTe₂) — прототипичный TMD, с непрямой запрещенной зоной 0,83 эВ в объеме и прямой зоной 1,1 эВ в монослое [29–30]. Его изучали для спинтроники, FET, фотодетекторов и солнечных элементов [31–39]. Поскольку многослойный 2H-MoTe₂ имеет большое отношение поверхности к объему, его электронные свойства высоко восприимчивы к адсорбататам окружающей среды, что усложняет извлечение внутренних транспортных характеристик.

В этом исследовании мы изготовили многослойный 2H-MoTe₂ транзистор с истоком и стоком, перенеся чистый MoTe₂ флакон для перемычки контактов. Все устройство подвергали воздействию воздуха, что позволило изучить влияние окружающих видов на зарядовый транспорт. Вакуумные и температурно-зависимые измерения показали, что транзистор внутренне n-типа, а воздействие воздуха индуцирует p-легирование. Расчеты DFT приписывают n-поведение теллуридным вакансиям. Переключая между p- и n-работой, мы собрали дополнительный инвертор с симметричными входно-выходными характеристиками и максимальным усилением 9 при V_DD = 5 В.

Результаты и обсуждение

В отличие от предыдущих отчетов, наша схема устройства (рис. 1a) начинается с задне затворной структуры. Сначала наносят Cr/Au исток-сток электроды на SiO₂/Si⁺ подложку. Многослойный MoTe₂ флакон, подготовленный на отдельном SiO₂/Si⁺ вейфере механической эксфолиацией, затем переносят для перемычки электродов, обеспечивая чистый, безполимерный канал (рис. 1b). Поскольку весь флакон подвергается воздействию воздуха, мы можем систематически изучать влияние адсорбатов на внутреннюю проводимость.

АФМ подтверждает толщину 17 нм (≈24 монослоя) (рис. 1c,d), а Рамановская спектроскопия показывает характерные моды A₁g (172 см⁻¹), E¹₂g (233 см⁻¹) и B¹₂g (289 см⁻¹), указывающие на высокое кристаллическое качество (рис. 1e).

Задне затворные измерения выполняли на зонде Lakeshore, подключенном к анализатору Agilent B1500A, при давлениях до 10⁻⁵ мбар и температурах 9–350 К. В воздухе при комнатной температуре передаточная кривая (V_sd = 1 В, рис. 2a) показывает p-ответ: прибор открывается при отрицательном затворном смещении и закрывается при положительном, с отношением вкл/выкл 6 × 10³, подпороговым скачком 350 мВ/дек и полевой подвижностью 8 см²/В·с. Подобное p-поведение наблюдается в устройствах разной толщины (5–85 нм) (дополнительные файлы S1–S3).

Рис. 2b показывает выходные характеристики, раскрывающие почти линейные I-V кривые, что указывает на пренебрежимое Шоткиевское барьер между Au и MoTe₂ в воздухе. Ток включения линейно масштабируется с V_sd (рис. 2c), тогда как ток выключения растет с V_sd, снижая отношение вкл/выкл — признак ловушечных состояний, вводимых адсорбатами. Гистерезис в передаточных кривых дополнительно подтверждает наличие таких ловушек (дополнительный файл S4).

Для выделения роли окружающих видов мы измеряли прибор при прогрессирующем вакууме. Как показано на рис. 3a, повышение вакуума снижает ток включения (из-за более высокого сопротивления при удалении адсорбатов) и повышает ток выключения, указывая на постепенное подавление электронного транспорта. Выходные кривые при 2,9 × 10⁻⁵ мбар (рис. 3b) демонстрируют слегка больший Шоткиевский барьер, подтверждая, что адсорбаты модулируют эффективную высоту барьера.

Температурно-зависимые измерения (рис. 4a) показывают, что транзистор остается p-типом до 20 К. Оба тока (включения и выключения) уменьшаются с температурой, в то время как отношение вкл/выкл улучшается. Аррениусовы графики (рис. 4c) раскрывают термически активированный режим выше 100 К и туннельный режим ниже, позволяя извлечь эффективную высоту Шоткиевского барьера ниже 120 мэВ (рис. 4d). Несмотря на уменьшение адсорбатов при низких температурах, остаточные виды все еще влияют на проводимость.

Мы далее отжигали прибор до 350 К в вакууме (рис. 5a). Передаточная кривая смещается от p- к n-типу: при 350 К прибор выключен при отрицательном затворном смещении и включен при положительном, с отношением вкл/выкл 3,8 × 10², подпороговым скачком 1,1 В/дек и подвижностью 2 см²/В·с. После удержания в вакууме 12 ч при комнатной температуре n-поведение сохраняется (рис. 6a). Дополнительный отжиг при 523 К в Ar дополнительно подтверждает стабильность n-состояния (дополнительные файлы S5).

DFT расчеты для 4×4 монослойной суперячейки показывают, что теллуридная вакансия вводит дефектное состояние чуть ниже зоны проводимости, объясняя внутреннее n-проводение (рис. 7). И напротив, воздействие окружающего O₂/H₂O приводит к зарядовому переносу от MoTe₂ к оксидно-водному редокс-паре (рис. 8), что приводит к p-легированию. Рабочая функция MoTe₂ (4,1 эВ) ниже, чем у редокс-пары (> 4,83 эВ), что направляет электронный перенос и создает дырки в материале.

Наконец, мы собрали дополнительный инвертор, используя p- и n-тип транзисторы (рис. 9a). При V_DD = 5 В в вакууме 8 × 10⁻⁵ мбар инвертор показывает симметричную вольт-амперную характеристику, центрированную в V_DD/2 (рис. 9d), и шумовые запасы 1,54 В (низкий) и 1,77 В (высокий). Напряженное усиление растет с V_DD, достигая 9 при 5 В (рис. 9f). Эти результаты демонстрируют, что MoTe₂ может служить активным каналом в высокопроизводительных дополнительных логических устройствах.

Заключение

Подводя итог, мы изготовили воздушностable p-тип многослойные MoTe₂ транзисторы и продемонстрировали, что их внутреннее n-поведение можно раскрыть вакуумным отжигом. n-проводение происходит от теллуридных вакансий, как подтверждено DFT. Оксусный кислород и вода действуют как акцепторы через редокс-parу, превращая прибор в p-тип. Оба типа устройств демонстрируют сниженные Шоткиевские барьеры в присутствии адсорбатов, обеспечивая высокую производительность. Используя эти двойные транзисторы, мы построили дополнительный инвертор с напряженным усилением девять, иллюстрируя жизнеспособность MoTe₂ для будущей низкоэнергетической гибкой электроники.

Методы/Экспериментальная часть

Изготовление устройств следовало стандартной задне затворной геометрии. Сначала наносили Cr/Au (5 нм/100 нм) исток, сток и затвор электроды на 300-нм SiO₂/p⁺-Si вейфере УФ-фотолитографией, затем селективное травление SiO₂. Многослойные MoTe₂ флаконы механически эксфолировали из объемных кристаллов, выращенных химическим транспортом паров (TeCl₄, 750–700 °C, 3 дня) на отдельный SiO₂/Si⁺ подложку. Флаконы затем переносили на нанизанные электроды с использованием PVA переносной среды, растворенной в воде и промыванной изопропиловым спиртом. Приборы отжигали в камере ХОП с сухим насосом. Толщины проверяли АФМ (SPA-300HV), Рамановские спектры получали на LabRAM HR спектрометре (лазер 514 нм, 2,2 мВт). Электрическая характеристика использовала Agilent B1500A с зондом Lakeshore. DFT расчеты выполняли в VASP с PAW псевдопотенциалами, 400 эВ плоско-волновым отсечением, 12×12×1 k-точечной сеткой для релаксации и 24×24×1 для электронной структуры в рамках GGA-PBE.

Аббревиатуры

2D:

Двумерный

2H-MoTe₂:

2H-молибдендителлурид

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

DFT:

Теория функционала плотности

DOS:

Плотность состояний

FET:

Полевой транзистор

GGA:

Обобщенная градиентная аппроксимация

IPA:

Изопропиловый спирт

I_sd:

Исток-сток ток

LED:

Светодиод

NM_H:

Высокий шумовой запас

NM_L:

Низкий шумовой запас

PAW:

Проектор-возвышенная волна

PBE:

Перев-Берк-Эрнцерхоф

PVA:

Поливиниловый спирт

SD:

Исток-сток

SS:

Подпороговый скачок

TMDs:

Переходно-металлические дихалькогениды

VASP:

Венский аб-иницио пакет моделирования

V_bg:

Заднее затворное напряжение

V_sd:

Исток-сток напряжение

VTC:

Вольт-амперная передаточная характеристика

Φ_SB:

Высота Шоткиевского барьера