P型とN型の間の多層MoTe2トランジスタの変換とインバータでのそれらの使用

背景

グラフェンおよび同様の2次元（2D）材料は、弱い層間引力を備えた強く結合した層のスタックとしてバルクの形で存在し、原子的に薄い層に剥離することを可能にします。新素材アプリケーションのそれ[1,2,3,4,5,6,7,8,9]。それらのうち、半導体遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）は、かなりのバンドギャップを示します[2、3、10、11]。さらに、これらの2D TMDフレークは柔軟性があり、隣接する層間のダングリングボンドがありません[12、13]。これらの独自の特性により、TMDは、サブ10 nmの次世代電界効果トランジスタ（FET）[15]、インバーター[16、17、18]などの電子および光電子デバイス[2、3、4、14]を構築する有望な候補になります。 、19、20、21、22]、およびオンチップ発光ダイオード（LED）[23、24、25]およびVan der Waalsヘテロ構造デバイス[4、5、26、27、28]。

2H型二テル化モリブデン（2H-MoTe ₂ ）は、典型的な2D TMDの1つであり、バルク形式で0.83 eVの間接バンドギャップ[29]を持ち、単分子層に薄くすると1.1eVの直接バンドギャップを持ちます[30]。 2H-MoTe ₂ スピントロニクス[31]、FET [32,33,34]、光検出器[35,36,37,38]、および太陽電池[39]でのアプリケーションが検討されています。ほとんどの2Dマテリアルと同様に、多層2H-MoTe ₂ 表面積対体積比が非常に高いため、周囲の環境のさまざまな影響に敏感です。したがって、その固有の特性を取得することは困難です。 2D素材と関連デバイスの表面とインターフェースは、より高いパフォーマンスを実現するために常に研究のホットスポットでした。ここでは、多層の2H-MoTe ₂ を作成します。 ソース電極層とドレイン電極層が製造されたトランジスタ、次に多層MoTe ₂ サンプルは、トランジスタチャネルとしてソース電極とドレイン電極をブリッジするために転送されます。 MoTe全体 ₂ サンプルは、チャネルと接触部分を含む空気中にさらされます。これは、多層MoTe ₂ の電荷輸送特性に対する吸収物の影響を調査するのに有利です。 トランジスタ。真空および温度に依存する電荷輸送の測定が行われます。実験データは、多層MoTe ₂ トランジスタは、固有コンダクタンスの観点からn型です。ただし、空気にさらされたデバイスは、吸収体によってドープされ、空気に安定なp型トランジスタに変換されます。多層MoTe ₂ の固有のn型コンダクタンスを推測します トランジスタはテルル（Te）の空孔に起因し、密度汎関数理論（DFT）計算によって確認されます。空気中のp型コンダクタンスへの変換は、空気中に吸収された酸素と水がMoTe ₂ からの電子移動を誘発する可能性があるという事実によって説明できます。 n型多層MoTe ₂ を変換する酸素/水レドックスカップルに変換します p型へのトランジスタ。最後に、n型およびp型の多層MoTe ₂ に基づいています トランジスタについては、 V で対称的な入出力動作と9のゲイン値を示す相補型インバータを示します。 _DD =5V。

結果と考察

以前に報告された多層MoTe ₂ とは異なります トランジスタの場合、デバイス図を図1aに示します。まず、SiO ₂ 上にCr / Au膜で構成されるソース-ドレイン（SD）電極を製造します。 / p ⁺ -Si基板。次に、多層MoTe ₂ の1つ 別のSiO ₂ で準備されたサンプル / p ⁺ -Si基板は、トランジスタチャネルとしてソース-ドレイン電極をブリッジするために転送されます。 MoTe ₂ この方法で作成されたサンプルはクリーンで、デバイス製造時にポリマー汚染がありません。さらに、MoTe ₂ 全体 サンプルはチャネルと接触部分を含む空気にさらされるため、吸収物を除去し、多層MoTe ₂ の固有コンダクタンスを取得するのがより便利になります。 トランジスタ。作製した多層MoTe ₂ の光学像 トランジスタを図1bに示します。チャネル長は、10μmです。 MoTe ₂ チャネルは、原子間力顕微鏡（AFM）によって特徴付けられます（図1cを参照）。 AFM画像のマークから得られた高さプロファイル（図1dを参照）は、MoTe ₂ の厚さを示しています。 サンプルは約17nmです（24個の単層MoTe ₂ で構成されています ）[40]。 A _1g の特徴的なラマン活性モード （172 cm ^-1 ）、E ¹ _2g （233 cm ^-1 ）、およびB ¹ _2g （289 cm ^-1 ）は、図1eに示すようにはっきりと観察され、2H-MoTe ₂ の品質が良好であることを示しています。 転送プロセス後[41]。

多層MoTe ₂ トランジスタとその特性。 a MoTe ₂ のイラスト トランジスタ図。 b 多層MoTe ₂ で構成されたトランジスタの1つの光学画像 チャネルおよびSDCr / Au電極。 c b のトランジスタチャネルのAFM画像 。 d 多層MoTe ₂ の高さプロファイル 。 e 多層MoTe ₂ のラマンスペクトル トランジスタチャネル内

製造されたバックゲート多層MoTe ₂ トランジスタは、LakeshoreプローブステーションのAgilent B1500A半導体アナライザを使用して測定されます。このアナライザは、1×10 ^-5 のベース圧力までポンプで送ることができます。 mbarで、9〜350Kの温度調整を実現します。図2は、多層MoTe ₂ の電気的特性を示しています。 室温（RT）の空気中のトランジスタ。ソース-ドレイン電圧 V での伝達特性 _sd 図2aの=1 Vは、トランジスタが負のゲート電圧でオン状態にあり、正のゲート電圧でオフ状態にあることを示しています。オン状態からオフ状態への変換電圧はほぼゼロであり、これは典型的なp型トランジスタの特性です。反復測定では、同じ電気ゲーティング特性が示されています（追加ファイル1：図S1を参照）。他の4つの多層MoTe ₂ トランジスタは、追加ファイル1：図S2に示すように、同様のp型電気ゲーティング特性も示します。追加ファイル1：図S3に示すように、厚さが5 nm、38 nm、85nmの他のデバイスも用意しています。 MoTe ₂ の場合 厚さは5nmと38nmで、準備されたデバイスは両方ともp型コンダクタンスを示しますが、図2および追加ファイル1：図S2のデバイスと比較してオン電流は小さくなっています。厚さが85nmに増加すると、追加ファイル1：図S3（l）に示すように、ゲーティング効果がなくなります。これらのデータは、p型コンダクタンスが多層MoTe ₂ の空気中で普遍的であることを示しています トランジスタ。図2aの伝達特性から、6×10 ³ であるオンオフ比、サブスレッショルドスイング（SS）、および電界効果移動度（μ）を取得できます。 、350 mV / dec、および8 cm ² それぞれ/ V・s。

多層MoTe ₂ の電気的性質 RTで空気中のトランジスタ。 a MoTe ₂ の伝達特性 V のトランジスタ _sd =1V空気中。 b MoTe ₂ の出力特性 V のトランジスタ _bg =− 20 V、− 15 V、− 10 V、− 5 V、0 V、および5V。 c MoTe ₂ の伝達特性 異なる V のトランジスタ _sd 。 d V の関数としてのオン電流、オフ電流、およびオンオフ電流の比率 _sd

図2bは、多層MoTe ₂ の出力特性を示しています。 バックゲート電圧 V のトランジスタ _bg =− 20 V、− 15 V、− 10 V、− 5 V、0 V、および5V。ご覧のとおり、特に V の低バイアス電圧では、応答は本質的に線形です。 _sd 、これは、有効なショットキー障壁の高さが無視できることを示します（Φ _SB ）AuとMoTeの間 ₂ 放送中。図2cに示すように、さまざまなソース-ドレインバイアス電圧での伝達特性は、オン電流がバイアス電圧 V とともに直線的に増加することを示しています。 _sd 、図2dに示すように、これは出力特性と一致します。一方、 V に応じて、オフ電流は増加し、オンオフ比は減少します。 _sd 増加します。これは、MoTe ₂ のトラップ状態に起因する可能性があります 吸収物とインターフェース状態からのチャネル。伝達特性のヒステリシス（追加ファイル1：図S4を参照）は、MoTe ₂ にトラップ状態が存在することをさらに確認します。 トランジスタ[42,43,44,45]。

さらに、多層MoTe ₂ のp型コンダクタンスを調査します。 異なる真空でのトランジスタ。これは、吸収された酸素と水の電荷輸送特性への影響を理解するのに役立ちます。図3aは、 V での伝達特性を示しています。 _sd =1 Vを真空の関数として（「atm」は大気に対応します）。主な変化傾向は、カーボンナノチューブトランジスタ[44]に示されているものと同様の赤い矢印で明確に示されています。まず、真空が増加するとオン電流が減少します。これは、吸収体によって引き起こされるしきい値電圧のシフトに部分的に起因しますが、主に、チャネル抵抗と接触抵抗を含む吸収体が減少するにつれてデバイス抵抗が増加するためです。図3bに示す非線形出力特性は、AuとMoTe ₂ の間の強化された有効ショットキー障壁を示しています。 2.9×10 ^-5 ミリバール真空。これは、有効なショットキー障壁の高さが空気中の吸収物によって変更されることを示唆しています。第二に、正の電位依存性イオンチャネルでのオフ電流は真空とともに増加します。これは、吸収が減少するにつれて電子コンダクタンスが増加することを意味し、多層MoTe ₂ ではn型コンダクタンスが抑制されることを示唆しています。 空気中で吸収することによるトランジスタ。

多層MoTe ₂ のP型電気特性 真空中のトランジスタ。 a p型MoTe ₂ のRT伝達特性 V のトランジスタ _sd 真空の関数としての=1V。 b p型MoTe ₂ のRT出力特性 異なる V のトランジスタ _bg 2.9×10 ^-5 mbar真空

真空中で部分吸収物を除去した後、オン電流は減少し、オフ電流は増加しますが、多層MoTe ₂ トランジスタは依然としてp型コンダクタンスを示します。さらに、図4aに示すように、p型コンダクタンスは低温に維持されます。この温度依存の電気的特性は、電荷輸送メカニズムをさらに解明し、p型MoTe ₂ の有効ショットキー障壁高さを抽出するのに役立ちます。 トランジスタ。図4aは、バイアス電圧 V での伝達特性を示しています。 _sd =1 V（温度が20から275 Kまで変化する場合）。図4bに示すように、オン電流とオフ電流の両方が温度が下がると減少し、オンオフ比は低温で増加します。ソース-ドレイン電流のアレニウスプロット I _sd バックゲート電圧 V _sd =−図4cの20Vと20Vは、電荷輸送の熱放射とトンネリングの寄与を示しています[46]。温度が100Kを超えると、負と正の両方のゲート電圧で明確な熱放射領域が観察され、温度が100 Kを下回ると、トンネル電流が支配的になります。そのため、温度が下がると、オン電流とオフ電流の両方が減少します。 。熱放射電流の観測と\（{I} _ {\ mathrm {sd}} \ sim {e} ^ {-{q \ varPhi} _ {SB} / kT \ operatorname {}} \）の関係に基づく、ここで k はボルツマン定数であり、 T 温度である場合、有効なショットキー障壁の高さΦを抽出します _SB V でのゲート電圧の関数として _sd =1 V、図4dに示すように。有効なショットキー障壁の高さΦ _SB オン状態とオフ状態の両方で120mV未満です。

p型多層MoTe ₂ の温度依存電気特性 トランジスタ。 a MoTe ₂ の伝達特性 V のトランジスタ _sd =1Vを温度の関数として。 b 温度の関数としてのオン電流、オフ電流、およびオンオフ電流の比率。 c V での温度の関数としてのソース-ドレイン電流のアレニウスプロット _sd =1Vおよび V _bg =−それぞれ20Vと20V。 d 有効なショットキー障壁の高さのマップΦ _SB バックゲート電圧の関数として

真空と低温は、吸収物を完全に脱着することを困難にします。残留吸収物は依然として機能し、多層MoTe ₂ のコンダクタンスを変化させます トランジスタ。 MoTe ₂ の吸収物をさらに脱着するために トランジスタを使用して、デバイスを真空中で350 Kに加熱し、その場で電気的特性の測定を実行します。図5aは、MoTe ₂ の転送特性を示しています。 トランジスタは250Kから350Kに加熱されます。ご覧のとおり、正のゲート電圧での電子コンダクタンスは向上し、負のゲート電圧でのホールコンダクタンスは温度が上昇するにつれて低下します。温度 T =250 K、デバイスは典型的なp型コンダクタンスを示します。しかし、温度が T に上昇すると =350 K、デバイスはn型に変換され、負のゲート電圧でオフ状態になり、正のゲート電圧でオン状態になります。そのオンオフ比、サブスレッショルドスイング（SS）、および電界効果移動度（μ）は3.8×10 ² です。 、1.1 V / dec、および2 cm ² それぞれ/ V・s。

多層MoTe ₂ の伝達特性 真空中の温度の関数としてのトランジスタ

MoTe ₂ のn型コンダクタンス トランジスタは真空中で安定しています。デバイスは2×10 ^-5 でプローブステーションに保持されます 加熱後12時間RTでmbar真空。次に、電気的特性の測定が行われます。図6aに示すように、伝達特性は負のゲート電圧でオフ状態のままであり、正のゲート電圧でオン状態であり、典型的なn型トランジスタの特性を示しています。追加ファイル1：図S5（a）および（b）に示すように、他の2つのサンプルでも同様の変換が実現されています。さらに、高温化学蒸着システムを使用して523 Kで2つのサンプルを、3mbarの真空でArガス中で2時間アニールします。追加ファイル1：図S5（c）および（d）に示すように、どちらもp型からn型に変化します。図6bは、n型MoTe ₂ の出力特性を示しています。 異なるバックゲート電圧でのトランジスタ。これは明らかに非線形であり、特に低バイアス電圧 V _sd 、図3bとは異なり、MoTe ₂ 間に強化された有効ショットキーバリア高さが存在することを示しています。 吸収物を除去するために加熱された後のAu電極。図6cは、n型多層MoTe ₂ の温度依存伝達特性を示しています。 トランジスタ。ご覧のように、温度が275Kから25Kに低下すると、図6c、dに示すように、オン電流とオフ電流の両方が減少します。ソース-ドレイン電流のアレニウスプロット I _sd 図6eは、熱放射とトンネリング電流が依然としてn型多層MoTe ₂ の主要な電荷輸送メカニズムであることを示しています。 トランジスタ。このようにして得られた有効なショットキー障壁の高さは、250meV未満です。 Au（5.2 eV）とMoTe ₂ の仕事関数を考慮する （4.1 eV）、電子の有効ショットキー障壁の高さは、理想的な状態では1.1eVと高くなります。違いは、2D材料のフェルミ準位のピン止め効果によるものかもしれません[47]。

N型多層MoTe ₂ 真空中のトランジスタの特性。 a MoTe ₂ のRT転送特性 V のトランジスタ _sd =1V。 b MoTe ₂ のRT出力特性 異なるバックゲート電圧のトランジスタ。 c MoTe ₂ の伝達特性 温度の関数としてのトランジスタ。 d MoTe ₂ のオン電流、オフ電流、およびオンオフ電流の比率 温度の関数としてのトランジスタ。 e I のアレニウスプロット _sd V で _sd =1Vおよび V _bg =−それぞれ20Vと20V。 f 有効なショットキー障壁の高さのマップΦ _SB V の関数として _bg

また、n型多層MoTe ₂ トランジスタは、空気にさらされるとp型に戻ります（追加ファイル1：図S6を参照）。上記の実験データに基づいて、n型コンダクタンスは多層MoTe ₂ の固有の特性であると推測します。 トランジスタ。 N型コンダクタンスは、MoTe ₂ のTe空孔に起因する可能性があります。 チャネル。これは、図7に示すようにDFT計算によって確認されます。図7aは、単分子層（ML）MoTe ₂ のTe空孔の図を示しています。 、および図7bは、対応する状態密度（DOS）を示しています。 MoTe ₂ のDOSとの比較 完全結晶構造のTe空孔は、導電バンドの端の近くに欠陥状態を引き起こします。したがって、MoTe ₂ Te空孔を持つトランジスタはn型コンダクタンスを示します。

MoTe ₂ の空席 。 a 4×4MLMoTe ₂ 理想的な相でTe空孔を持つスーパーセル。空室サイトは黄色でマークされています。 b ML MoTe ₂ のTe空孔に隣接するMoサイトとTe空孔に最も近いTeサイトの部分状態密度（PDOS） （赤い実線）、理想的なMLのPDOSと比較（黒い破線）

デバイスが空気にさらされると、空気中の酸素と水がデバイスに吸収されます。酸素と水の吸収物が、有機トランジスタとグラフェン関連層材料トランジスタにp型ドーピングを誘発する可能性があることが確認されています[44、48、49]。これは、水中の溶存酸素がレドックス反応の条件を設定する、酸素/水レドックスカップルによって機能します。このプロセスは、酸素/水レドックスカップルとMoTe ₂ の間の電荷移動を誘発します 。電荷移動方向は、仕事関数（または化学ポテンシャル）の差によって異なります。 MoTe ₂ の仕事関数 は4.1eVですが、酸素/水レドックスカップルのそれは4.83eVよりも大きいです[48]。図8は、水/酸素レドックスカップルとMoTe ₂ のエネルギー図を示しています。 。エネルギー準位の違いにより、電子はMoTe ₂ から注入されます。 酸素/水レドックスカップルに変換され、MoTe ₂ の正孔ドーピングが発生します。 空気中。

水/酸素レドックスカップル（左）とMoTe ₂ のエネルギー図 （正しい）;赤い矢印は電子の移動方向を示しています

p型およびn型MoTe ₂ の使用 トランジスタについては、図9aに示すように、相補型インバータの構造を検討します。 V の供給電圧 _DD n型トランジスタのソース（またはドレイン）が接地されている間、p型トランジスタのソース（またはドレイン）に適用されます。インバーターは8×10 ^-5 で測定されます プローブステーションのmbar真空。図9b、cは、それぞれインバータからのp型トランジスタとn型トランジスタの伝達特性を示しています。図9dは、 V の場合のインバータの電圧伝達特性（VTC）曲線を示しています。 _DD 1〜5Vの範囲で変化します。遷移電圧は V の非常に近くにあります。 _DD / 2、これはn型とp型のMoTe ₂ 間の対称性に起因する可能性があります トランジスタ。図9eは、 V でのVTC曲線（黒い線）とそのミラー（赤い線）を示しています。 _DD =5V。影付きの「目」の領域は、インバータのノイズマージンを表しています。ご覧のとおり、低レベルのノイズマージン（NM _L ）および高レベルのノイズマージン（NM _H ）は、 V でそれぞれ1.54Vと1.77Vです。 _DD =5V。図9fは V を示しています _IN V でのインバータの依存電圧利得 _DD =2 V、3 V、4 V、および5 Vで、 V とともに増加します。 _DD V で9に達します _DD =5V。

p型およびn型多層MoTe ₂ に基づく相補型インバーター特性 8×10 ^-5 のトランジスタ mbar真空。 a p型とn型のMoTe ₂ で構成されるインバータ図 トランジスタ。 p型の伝達特性（ b ）およびn型（ c ）MoTe ₂ インバータからのトランジスタ。 d V のインバータのVTC曲線 _DD 1〜5Vの値。 e V でのVTC曲線（黒い線）とそのミラー（赤い線） _DD =5V。 f V _IN V でのインバータの依存電圧利得 _DD =2 V、3 V、4 V、および5 V

結論

要約すると、p型多層MoTe ₂ を製造しました。 MoTe ₂ を転送することによるトランジスタ 空気中で製造されたソース-ドレイン電極上に。真空および温度に依存するその場電荷輸送測定は、多層MoTe ₂ の通常のp型コンダクタンスを示しています。 トランジスタは、空気中の酸素/水の酸化還元対ドーピングによって引き起こされるその固有の特性ではありません。 MoTe ₂ の場合 トランジスタは真空中で加熱されて吸収物を除去します。これは、MoTe ₂ のテルル空孔に起因するn型コンダクタンスを示します。 そしてそれはその固有の輸送特性です。 p型とn型の両方のMoTe ₂ トランジスタは、吸収体による修飾に部分的に起因する、より小さな有効ショットキー障壁高さを示します。低い実効ショットキー障壁は、高性能MoTe ₂ を達成するのに有益です。 トランジスタ。これらの調査結果に基づいて、ゲイン値が9までの相補型インバーターを製造します。

メソッド/実験

多層MoTe ₂ の電荷輸送特性に対する吸着質の影響を研究するために トランジスタの場合、バックゲート多層MoTe ₂ を選択します トランジスタとMoTe全体 ₂ サンプルは周囲にさらされています。バックゲート多層MoTe ₂ トランジスタは次のように製造されます。まず、ソース、ドレイン、およびゲート電極が300nmのSiO ₂ 上にパターン化されます。 / p ⁺ -標準的なUVフォトリソグラフィー技術を使用したSi基板、続いて300nmのSiO ₂ の選択的エッチング ゲート電極の下と5nm / 100 nm Cr / Au膜のEビーム蒸着。次に、多層MoTe ₂ サンプルは他の300nm SiO ₂ で調製されます / p ⁺ -ミリメートルサイズの半導体2H-MoTe ₂ の機械的剥離によるSi TeCl ₄ を使用した化学蒸気輸送によって成長する単結晶 750〜700°Cの温度勾配で3日間の輸送剤として。最後に、準備された多層MoTe ₂ サンプルは、媒体としてポリビニルアルコール（PVA）を使用してパターン化されたソース-ドレイン電極に転送されます[50]。 PVAはH ₂ に溶解します Oおよびイソプロピルアルコール（IPA）ですすいだ。デバイスのアニーリングは、ドライポンプを使用した化学蒸着セットアップで実行されます。多層MoTe ₂ サンプルは光学顕微鏡で識別され、対応する厚さはSPA-300HV原子間力顕微鏡（AFM）を使用して特徴付けられます。ラマン信号は、100倍の対物レンズを使用した後方散乱構成で波長514nmのレーザー励起を備えたLabRAMHRラマン分光計によって収集されます。対物レンズから測定されたレーザー出力は2.2mWです。電気的特性評価は、AgilentB1500A半導体アナライザとLakeshoreプローブステーションの組み合わせを使用して実行されます。

DFT計算は、Vienna ab initioシミュレーションパッケージ（VASP）に実装された400 eVのカットオフエネルギーで設定されたプロジェクター拡張波（PAW）擬ポテンシャルおよび平面波基底関数を使用して実行されます[51]。周期的な画像間の偽の相互作用を排除するために、15Åを超える真空空間が選択されています。十分な k 構造緩和と電子計算には、それぞれ12×12×1と24×24×1のポイントサンプリングが使用されます。 Perew-Burke-Ernzerhof（PBE）汎関数を使用した一般化勾配近似（GGA）が採用されています[52]。

略語

2D：

二次元

2H-MoTe ₂ ：

2H型二テル化モリブデン

AFM：

原子間力顕微鏡

DFT：

密度汎関数理論

DOS：

状態密度

FET：

電界効果トランジスタ

GGA：

一般化された勾配近似

IPA：

イソプロピルアルコール

I sd：

ソース-ドレイン電流

LED：

発光ダイオード

NM _H ：

高レベルのノイズマージン

NM _L ：

低レベルのノイズマージン

PAW：

プロジェクター拡張波

PBE：

ペレウ-バーク-エルンツァーホフ

PVA：

ポリビニルアルコール

SD：

ソース-ドレイン

SS：

サブスレッショルドスイング

TMD：

遷移金属ジカルコゲナイド

VASP：

ウィーンabinitioシミュレーションパッケージ

V _bg ：

バックゲート電圧

V sd：

ソース-ドレイン電圧

VTC：

電圧伝達特性

Φ _SB ：

ショットキーバリアの高さ