다층 MoTe2 트랜지스터의 P형과 N형 간 변환 및 인버터에서의 사용

결과 및 토론

이전에 보고된 다층 MoTe₂와 다름 트랜지스터, 우리의 장치 다이어그램은 그림 1a에 나와 있습니다. 먼저 SiO₂ 위에 Cr/Au 필름으로 구성된 소스-드레인(SD) 전극을 제작합니다. /p ⁺ -Si 기판. 그런 다음 다층 MoTe₂ 중 하나 다른 SiO₂에서 준비된 샘플 / p ⁺ -Si 기판은 트랜지스터 채널로 소스-드레인 전극을 브리지하기 위해 전송됩니다. MoTe₂ 이 방법으로 만든 샘플은 깨끗하고 장치 제작 시 폴리머 오염이 없습니다. 또한 전체 MoTe₂ 시료는 채널과 접촉부를 포함하여 공기 중에 노출되어 흡수 물질을 제거하고 다층 MoTe₂의 고유 전도도를 얻는 것이 더 편리합니다. 트랜지스터. 제작된 다층 MoTe₂의 광학 이미지 트랜지스터는 채널 길이가 10μm인 그림 1b에 나와 있습니다. MoTe₂ 채널은 원자력 현미경(AFM)으로 특징지어집니다(그림 1c 참조). AFM 이미지의 표시에서 얻은 높이 프로파일(그림 1d 참조)은 MoTe₂의 두께를 나타냅니다. 샘플은 약 17nm입니다(24개의 단층 MoTe₂으로 구성됨). ) [40]. A_1g의 특징적인 라만 활성 모드 (172cm ⁻¹ ), E ¹ _2g (233cm ⁻¹ ) 및 B ¹ _2g (289cm ⁻¹ )는 그림 1e와 같이 명확하게 관찰되어 2H-MoTe₂의 우수한 품질을 나타냅니다. 이전 프로세스 이후 [41].

다층 MoTe₂ 트랜지스터와 그 속성. 아 MoTe₂의 그림 트랜지스터 다이어그램. ㄴ 다층 MoTe₂로 구성된 제작된 트랜지스터 중 하나의 광학 이미지 채널 및 SD Cr/Au 전극. ㄷ b에 있는 트랜지스터 채널의 AFM 이미지 . d 다층 MoTe₂의 높이 프로파일 . 이 다층 MoTe₂의 라만 스펙트럼 트랜지스터 채널에서

제작된 백게이트 다층 MoTe₂ 1 × 10 ⁻⁵ 의 기본 압력으로 펌핑될 수 있는 Lakeshore 프로브 스테이션에서 Agilent B1500A 반도체 분석기를 사용하여 트랜지스터를 측정합니다. mbar 및 9~350K 온도 조정을 실현합니다. 그림 2는 다층 MoTe₂의 전기적 특성을 보여줍니다. 실온(RT)에서 공기 중의 트랜지스터. 소스-드레인 전압 V에서의 전달 특성 _sd 그림 2a에서 =1 V는 트랜지스터가 음의 게이팅 전압에서 온 상태이고 양의 게이팅 전압에서 오프 상태임을 나타냅니다. 온 상태에서 오프 상태로의 변환 전압은 거의 0이며 이는 전형적인 p형 트랜지스터의 특성입니다. 반복 측정은 동일한 전기 게이팅 특성을 보여줍니다(추가 파일 1:그림 S1 참조). 4개의 다른 다층 MoTe₂ 트랜지스터는 또한 추가 파일 1:그림 S2와 같이 유사한 p형 전기 게이팅 특성을 보여줍니다. 또한 추가 파일 1:그림 S3과 같이 두께가 5nm, 38nm, 85nm인 다른 기기도 준비합니다. MoTe₂ 두께는 5nm 및 38nm이며, 준비된 두 장치는 모두 p형 컨덕턴스를 나타내지만 그림 2 및 추가 파일 1:그림 S2의 장치에 비해 작은 온 전류를 나타냅니다. 두께가 85nm로 증가함에 따라 추가 파일 1:그림 S3(l)과 같이 게이팅 효과가 사라집니다. 이 데이터는 p형 컨덕턴스가 다층 MoTe₂에 대해 공기 중에서 보편적임을 보여줍니다. 트랜지스터. 그림 2a의 전달 특성에서 6 × 10 ³ 인 온-오프 비율, 하위 임계값 스윙(SS) 및 전계 효과 이동성(μ)을 얻을 수 있습니다. , 350mV/dec 및 8cm ² /V·s, 각각.

다층 MoTe₂의 전기적 특성 RT에서 공기 중의 트랜지스터. 아 MoTe₂의 전송 특성 V의 트랜지스터 _sd =1 V 공기 중. ㄴ MoTe₂의 출력 특성 V의 트랜지스터 _bg =− 20 V, − 15 V, − 10 V, − 5 V, 0 V 및 5 V. c MoTe₂의 전송 특성 다른 V의 트랜지스터 _sd . d V의 함수로 온 전류, 오프 전류 및 온 오프 전류 비율 _sd

그림 2b는 다층 MoTe₂의 출력 특성을 보여줍니다. 백 게이트 전압 V에서의 트랜지스터 _bg =− 20 V, − 15 V, − 10 V, − 5 V, 0 V 및 5 V. 응답은 기본적으로 선형이며, 특히 V의 낮은 바이어스 전압에서 특히 그렇습니다. _sd , 무시할 수 있는 유효 쇼트키 장벽 높이(Φ _SB ) Au와 MoTe₂ 사이 공기 중의. 그림 2c와 같이 서로 다른 소스-드레인 바이어스 전압에서의 전달 특성은 온 전류가 바이어스 전압 V에 따라 선형적으로 증가함을 나타냅니다. _sd , 출력 특성과 일치하는 그림 2d와 같습니다. 한편, V에 따라 오프 전류가 증가하고 온오프 비율이 감소합니다. _sd 증가합니다. 이것은 MoTe₂의 트랩 상태 때문일 수 있습니다. 흡수체 및 인터페이스 상태의 채널. 전송 특성의 히스테리시스(추가 파일 1:그림 S4 참조)는 MoTe₂에서 트랩 상태의 존재를 추가로 확인합니다. 트랜지스터 [42,43,44,45].

다층 MoTe₂의 p형 전도도를 추가로 조사합니다. 다른 진공에서 트랜지스터. 이것은 전하 수송 특성에 대한 흡수된 산소와 물의 영향을 이해하는 데 도움이 됩니다. 그림 3a는 V에서의 전달 특성을 보여줍니다. _sd =1 V 진공의 함수("atm"은 대기에 해당). 주요 변화 경향은 탄소나노튜브 트랜지스터에 나타난 것과 유사한 빨간색 화살표로 명확하게 표시됩니다[44]. 첫째, 온 전류는 진공이 증가함에 따라 감소하는데, 이는 부분적으로는 흡수체에 의한 문턱 전압의 이동으로 인한 것이지만 주로 채널 및 접촉 저항을 포함하여 흡수체가 감소함에 따라 소자 저항이 증가하기 때문입니다. 그림 3b와 같은 비선형 출력 특성은 Au와 MoTe 사이의 향상된 유효 쇼트키 장벽을 나타냅니다₂ 2.9 × 10 ⁻⁵ 에서 mbar 진공, 이는 효과적인 쇼트키 장벽 높이가 공기의 흡수 물질에 의해 수정됨을 나타냅니다. 둘째, 양의 전압 게이팅에서 오프 전류는 진공과 함께 증가하는데, 이는 흡수체가 감소함에 따라 전자 컨덕턴스가 증가함을 의미하며 다층 MoTe₂에서 n형 컨덕턴스가 억제됨을 시사합니다. 공기 중의 흡수체에 의한 트랜지스터.

다층 MoTe₂의 P형 전기적 특성 진공 상태의 트랜지스터. 아 p형 MoTe₂의 RT 전달 특성 V의 트랜지스터 _sd =1 V는 진공의 함수입니다. ㄴ p형 MoTe₂의 RT 출력 특성 다른 V의 트랜지스터 _bg 2.9 × 10 ⁻⁵ 에서 mbar 진공

진공 상태에서 부분 흡수체를 제거한 후 온 전류가 감소하고 오프 전류가 증가하지만 다층 MoTe₂ 트랜지스터는 여전히 p형 컨덕턴스를 나타냅니다. 또한, p형 컨덕턴스는 그림 4a와 같이 저온에서 유지됩니다. 이 온도 의존적 ​​전기적 특성은 전하 수송 메커니즘을 더욱 명확히 하고 p형 MoTe₂의 효과적인 쇼트키 장벽 높이를 추출하는 데 도움이 됩니다. 트랜지스터. 그림 4a는 바이어스 전압 V에서의 전달 특성을 보여줍니다. _sd =1 V는 온도가 20K에서 275K까지 다양합니다. 온 전류와 오프 전류는 모두 온도가 감소함에 따라 감소하고 온-오프 비율은 그림 4b와 같이 저온에서 증가합니다. 소스-드레인 전류 I의 Arrhenius 플롯 _sd 백 게이트 전압 V에서 _sd 그림 4c의 =− 20V 및 20V는 전하 수송에 대한 열 방출 및 터널링 기여도를 나타냅니다[46]. 온도가 100K보다 높으면 음수 및 양수 게이팅 전압 모두에서 명확한 열 방출 영역이 관찰되고 온도가 100K 미만이면 터널링 전류가 우세합니다. 이것이 온도가 감소함에 따라 온 전류와 오프 전류가 모두 감소하는 이유입니다. . 열방출 전류 관측과 \( {I}_{\mathrm{sd}}\sim {e}^{-{q\varPhi}_{SB}/ kT\operatorname{}} \)의 관계에 기초 , 여기서 k 는 볼츠만 상수이고 T 는 온도, 우리는 효과적인 쇼트키 장벽 높이 Φ를 추출합니다. _SB V에서 게이트 전압의 함수로 _sd =1 V, 그림 4d와 같이. 효과적인 쇼트키 장벽 높이 Φ _SB 켜짐 및 꺼짐 상태 모두에서 120mV 미만입니다.

p형 다층 MoTe₂의 온도 의존적 ​​전기적 특성 트랜지스터. 아 MoTe₂의 전송 특성 V의 트랜지스터 _sd =1 V는 온도의 함수입니다. ㄴ 온 전류, 오프 전류 및 온 오프 전류 비율은 온도의 함수입니다. ㄷ V에서 온도의 함수로서의 소스-드레인 전류의 Arrhenius 플롯 _sd =1 V 및 V _bg =− 20V 및 20V입니다. d 효과적인 쇼트키 장벽 높이 지도 Φ _SB 백 게이트 전압의 함수로

진공 및 낮은 온도는 흡수 물질을 완전히 탈착시키는 것을 어렵게 만듭니다. 잔류 흡수 물질은 여전히 ​​작동하고 다층 MoTe₂의 전도도를 변경합니다. 트랜지스터. MoTe₂의 흡수 물질을 더 탈착하기 위해 트랜지스터를 사용하여 진공 상태에서 기기를 350K로 가열하고 현장 전기 속성 측정을 수행합니다. 그림 5a는 MoTe₂의 전송 특성을 보여줍니다. 트랜지스터가 250K에서 350K로 가열될 때. 그림에서 알 수 있듯이 양의 게이트 전압에서 전자 컨덕턴스가 향상되고 음의 게이트 전압에서 정공 컨덕턴스는 온도가 증가함에 따라 감소합니다. 온도 T에서 =250K인 경우 기기는 일반적인 p형 전도도를 나타냅니다. 그러나 온도가 T로 증가하면 =350K, 장치는 음의 게이트 전압에서 오프 상태이고 양의 게이트 전압에서 온 상태인 n형으로 변환됩니다. 온오프 비율, 하위 임계값 스윙(SS) 및 전계 효과 이동성(μ)은 3.8 × 10 ² 입니다. , 1.1 V/dec 및 2 cm ² /V·s, 각각.

다층 MoTe₂의 전달 특성 진공에서 온도의 함수로서의 트랜지스터

MoTe₂의 n형 전도도 트랜지스터는 진공에서 안정적입니다. 장치는 2 × 10 ⁻⁵ 의 프로브 스테이션에 보관됩니다. 가열 후 12시간 동안 실온에서 mbar 진공 그런 다음 전기적 특성을 측정합니다. 그림 6a와 같이 전달 특성은 음의 게이트 전압에서 여전히 오프 상태이고 양의 게이트 전압에서 온 상태로 전형적인 n형 트랜지스터 특성을 보여줍니다. 추가 파일 1:그림 S5(a) 및 (b)와 같이 다른 두 샘플에서도 유사한 변환이 실현됩니다. 또한 3mbar 진공의 Ar 가스에서 2시간 동안 고온 화학 기상 증착 시스템을 사용하여 523K에서 두 개의 샘플을 어닐링합니다. 추가 파일 1:그림 S5(c) 및 (d)와 같이 둘 다 p형에서 n형으로 변경됩니다. 그림 6b는 n형 MoTe₂의 출력 특성을 보여줍니다. 특히 낮은 바이어스 전압 V에서 분명히 비선형인 다른 백 게이트 전압의 트랜지스터 _sd , 그림 3b와 달리 MoTe₂ 사이에 향상된 유효 쇼트키 장벽 높이가 있음을 나타냅니다. 및 Au 전극을 가열하여 흡수물을 제거한 후. 그림 6c는 n형 다층 MoTe₂의 온도 의존적 ​​전달 특성을 보여줍니다. 트랜지스터. 알 수 있듯이 온도가 275K에서 25K로 감소하면 그림 6c, d와 같이 온 전류와 오프 전류가 모두 감소합니다. 소스-드레인 전류 I의 Arrhenius 플롯 _sd 그림 6e에서 열 방출과 터널링 전류가 n형 다층 MoTe₂에서 여전히 주요 전하 수송 메커니즘임을 보여줍니다. 트랜지스터. 이렇게 얻은 유효 쇼트키 장벽 높이는 250meV보다 작습니다. Au(5.2 eV)와 MoTe₂의 일함수 고려 (4.1 eV), 전자에 대한 효과적인 쇼트키 장벽 높이는 이상적인 조건에서 1.1 eV만큼 높습니다. 차이는 2D 재료의 페르미 레벨 고정 효과에서 비롯된 것일 수 있습니다[47].

N형 다층 MoTe₂ 진공에서 트랜지스터 속성. 아 MoTe₂의 RT 전송 특성 V의 트랜지스터 _sd =1 V. b MoTe₂의 RT 출력 특성 다른 백 게이트 전압에서 트랜지스터. ㄷ MoTe₂의 전송 특성 온도의 함수로서의 트랜지스터. d MoTe₂의 온 전류, 오프 전류 및 온 오프 전류 비율 온도의 함수로서의 트랜지스터. 이 나의 아레니우스 플롯 _sd V에서 _sd =1 V 및 V _bg =− 20V 및 20V입니다. 에 효과적인 쇼트키 장벽 높이 지도 Φ _SB V의 함수로 _bg

우리는 또한 n형 다층 MoTe₂ 트랜지스터는 공기에 노출되면 p형으로 돌아갑니다(추가 파일 1:그림 S6 참조). 위의 실험 데이터를 기반으로 n형 컨덕턴스가 다층 MoTe₂의 고유 속성임을 추론합니다. 트랜지스터. N형 컨덕턴스는 MoTe₂의 Te 공석에 기인할 수 있습니다. 채널. 이는 그림 7과 같이 DFT 계산에 의해 확인됩니다. 그림 7a는 단층(ML) MoTe₂에서 Te vacancy의 다이어그램을 보여줍니다. , 그리고 그림 7b는 해당 상태 밀도(DOS)를 보여줍니다. MoTe₂의 DOS와 비교 완벽한 결정 구조로 Te vacancy는 전도대 가장자리 근처에서 결함 상태를 유도합니다. 따라서 MoTe₂ Te vacancy가 있는 트랜지스터는 n형 컨덕턴스를 나타냅니다.

MoTe₂의 공석 . 아 4 × 4 ML MoTe₂ 이상적인 단계의 슈퍼셀과 Te 공석이 있습니다. 공석 사이트는 노란색으로 표시됩니다. ㄴ ML MoTe₂에서 Te 공석에 가장 가까운 Te 공석과 Te 공석에 인접한 Mo 사이트의 부분 밀도 상태(PDOS) (빨간색 실선), 이상적인 ML의 PDOS와 비교(검정색 점선)

장치가 공기에 노출되면 공기 중의 산소와 물이 장치에 흡수됩니다. 산소와 물의 흡수물이 유기 트랜지스터와 그래핀 관련 층 재료 트랜지스터에서 p형 도핑을 유도할 수 있음이 확인되었다[44, 48, 49]. 그것은 산소 / 물 산화 환원 커플에 의해 작동하며, 물에 용해 된 산소는 산화 환원 반응의 조건을 설정합니다. 이 과정은 산소/물 산화환원 커플과 MoTe₂ 사이의 전하 이동을 유도합니다. . 전하 이동 방향은 일함수(또는 화학적 포텐셜) 차이에 따라 달라집니다. MoTe₂의 작업 기능 는 4.1 eV인 반면, 산소/물 산화환원 쌍은 4.83 eV보다 큽니다[48]. 그림 8은 물/산소 산화환원 커플과 MoTe₂의 에너지 다이어그램을 보여줍니다. . 에너지 준위 차이로 인해 MoTe₂에서 전자가 주입됩니다. MoTe₂의 정공 도핑을 초래하는 산소/물 산화환원 커플에 공중에서.

물/산소 산화환원 커플(왼쪽)과 MoTe₂의 에너지 다이어그램 (오른쪽); 빨간색 화살표는 전자 이동 방향을 나타냅니다.

p형 및 n형 MoTe₂ 사용 트랜지스터, 우리는 그림 9a와 같이 보완 인버터의 구성을 탐구합니다. V의 공급 전압 _DD p형 트랜지스터의 소스(또는 드레인)에 적용되는 반면 n형 트랜지스터의 소스(또는 드레인)는 접지됩니다. 인버터는 8 × 10 ⁻⁵ 단위로 측정됩니다. 프로브 스테이션의 mbar 진공. 그림 9b, c는 각각 인버터에서 p형 및 n형 트랜지스터의 전달 특성을 보여줍니다. 그림 9d는 V일 때 인버터의 전압 전달 특성(VTC) 곡선을 보여줍니다. _DD 1~5V 범위에서 다양합니다. 전환 전압은 V에 매우 가깝습니다. _DD /2, n형과 p형 MoTe₂ 사이의 대칭에 기인할 수 있음 트랜지스터. 그림 9e는 V에서 VTC 곡선(검은색 선)과 미러(빨간색 선)를 보여줍니다. _DD =5 V. 음영 처리된 "눈" 영역은 인버터의 노이즈 마진을 나타냅니다. 보시는 바와 같이 낮은 수준의 노이즈 마진(NM_L ) 및 높은 수준의 노이즈 마진(NM_H )는 V에서 각각 1.54V 및 1.77V입니다. _DD =5 V. 그림 9f는 V를 보여줍니다. _IN - V에서 인버터의 종속 전압 이득 _DD =2 V, 3 V, 4 V 및 5 V(V로 증가) _DD V에서 9에 도달 _DD =5 V.

p형 및 n형 다층 MoTe₂를 기반으로 하는 상호 보완적인 인버터 특성 8 × 10 ⁻⁵ 의 트랜지스터 mbar 진공. 아 p형과 n형 MoTe₂로 구성된 인버터 다이어그램 트랜지스터. p형의 전달 특성(b ) 및 n형(c ) 모테₂ 인버터의 트랜지스터. d V에 대한 인버터의 VTC 곡선 _DD 1~5V의 다양한 값. e V에서 VTC 곡선(검은색 선) 및 미러(빨간색 선) _DD =5 V. f V _IN - V에서 인버터의 종속 전압 이득 _DD =2V, 3V, 4V 및 5V