Nature electronics：范德华异质结晶体管的调制掺杂

背景介绍

在基于常规半导体制备高性能电子器件时，抑制库仑散射的同时掺杂是必不可少的。但是，替代掺杂引入了过剩载流子，一般会在沟道中留下子化的掺杂剂，从而干扰电荷载流子的输运。为了避免这种情况，一种离子化掺杂与沟道空间分离的调制掺杂技术被广泛应用于基于半导体纳米线、复合氧化物和复合半导体的外延异质结构中。用这种方式产生的二维(2D)载流子气体也被用作制造高电子迁移率晶体管(HEMT)和研究量子输运现象。

二维半导体中的载流子输运，如过渡金属二硫化物(TMDCs)，受到内在缺陷和外在效应的强烈影响，因为它们的载流子内在地局限于其原子上的薄体。与在体半导体异质结中人为制造的二维载流子气体不同，二维材料中的载流子更加受周围环境诱导的远程库仑相互作用散射的影响。这使得二维材料的基本物理性质的研究具有挑战性。此外，带电杂质散射降低了器件性能，如迁移率，限制了高速2D电子的实际应用。过去的研究表明，用六方氮化硼(hBN)或聚合物包覆可以抑制二维材料的外散射源。但是，降低杂质态引起的本征散射仍然是一个挑战。

二维半导体中的掺杂可以通过元素的原子替换或分子表面的电荷转移来实现。替代掺杂在体半导体中普遍存在，在二维半导体中也得到了广泛的研究。电荷转移掺杂是一种简单而有力的方法，它独特地适用于原子薄的范德华(vdW)半导体。然而，这两种方法都不能避免带电杂质散射，因为离子化的掺杂剂存在于原子薄的晶格内部或靠近沟道表面。

成果简介

进日，韩国高丽大学Donghun Lee团队报道了利用vdW波段工程和远程电荷转移掺杂在二维半导体中的调制掺杂。该异质结构由二硫化钼(MoS₂)嵌入通道、hBN隧道阻挡层和二硒化钨层组成。本工作在WSe₂层化学掺杂了n型分子掺杂剂三苯基膦(PPh₃)，这种掺杂可以通过远程电荷转移调节底层MoS₂通道中的载流子密度，而不会降低迁移率。由此得到的MoS₂调制掺杂场效应晶体管(MODFETs)室温迁移率为60 cm²V^-1s^-1，而直接掺杂器件的迁移率为35 cm²V^-1s^-1。温度相关的迁移率测量表明，掺杂MoS₂通道中几乎可以实现完全的电荷散射抑制。相关成果以题为“Remote modulation doping in van der Waals heterostructure transistors”发表在了Nature electronics上。

图文解析

一、用于远程掺杂的带调制vdW异质结构。

图1a为二维半导体中调制掺杂的vdW异质结的示意图，本工作为了制备WSe₂/hBN/ MoS₂异质结构，采用标准转移方法得到了逐层叠放逐层剥离的二维组分片。特别地是，在hBN和WSe₂层叠层之前，只在MoS₂上使用金属或石墨烯进行电接触。断面透射电镜图证实了由四层WSe₂、三层hBN和三层MoS₂组成的WSe₂/hBN/MoS₂异质结的结构和界面。本研究主要采用的是三层MoS₂沟道，因为它堆叠后仍然很薄，即使在低温下也有很小的接触电阻。这种异质结构具有WSe₂/MoS₂II型结骨架，由于导带偏移，通过分子掺杂引入顶部 WSe₂层的电子自发转移到MoS₂。这就导致了与传统体MODFET或HEMT中二维电子气(2DEG)类似的受限MoS₂沟道的掺杂。本工作表明，WSe₂之所以被选为顶层，除了与MoS₂相比电子亲和力更低外，其比带隙较大的hBN更容易进行电荷转移掺杂也是重要的原因。

图1. 远程掺杂的带调制WSe₂/hBN/MoS₂异质结构

二、MoS₂FETs中的远程调制掺杂。

首先通过光致发光(PL)和拉曼光谱等光学表征，揭示了上述异质结构中的电荷转移相互作用。图2a显示了具有多端石墨烯接触的代表性WSe₂/hBN/MoS₂异质结的示意图和光学显微镜图像，在WSe₂/hBN/MoS₂异质结区，由于光生激子的层间电荷转移过程，所有峰的强度都降低。在1.83 eV (AMo)处的PL谱显示，重叠区域的强度均匀降低，表明WSe₂/hBN/MoS₂异质结的高界面质量使得电荷传输相互作用在重叠区域均匀发生。作者注意到，由于WSe₂和MoS₂之间的三层hBN足够薄，可以实现电荷载流子的隧穿，hBN的插入并不会影响WSe₂/MoS₂异质结中的电荷转移和由此产生的PL猝灭。为了通过电荷转移验证掺杂能力，作者研究了MoS₂场效应晶体管(FET)掺杂PPh₃时的电学特性。本工作采用金属和石墨烯电极制备了器件，由于肖特基势垒低，器件在室温下表现出类欧姆的线性电流-电压(ID-VD)特性。本工作比较了相同浓度45 % PPh₃溶液掺杂的调制掺杂(MD) WSe₂/hBN/MoS₂和直接掺杂(DD) MoS₂FETs的相关输运特性。掺杂后MD和DD器件的n_e均增大。这意味着PPh₃分子可以通过跨越WSe₂/hBN层的远程电荷转移来调制底层MoS₂通道的载流子密度，而不会降低掺杂效率。

图2. 基于电荷转移的WSe₂/hBN/MoS₂异质结构的远程调制掺杂

三、MoS₂MODFETs中的温度依赖性电子输运。

为了评估电子输运特性，本工作使用四探针测量对石墨烯接触器件进行了温度依赖的电特性表征，以消除接触电阻的影响。作者发现，随着温度的降低，VBG>-50V时σ_4p增大，表明通过远程调制掺杂，掺杂态器件中的声子散射被抑制，而其他散射机制如杂质散射并没有随着温度的降低而显著变化。用于低温输运研究的石墨烯接触器件表现出良好的欧姆接触行为，其接触电阻小于金接触器件，但低温下表现出轻微的非线性ID-VD特性。由于良好的欧姆接触行为，本工作验证了样品中的金属-绝缘体转变(MIT)，发现σ_4p随着温度的降低而增大，VBG>-50V表现金属相的特征，VBG<-50V则相反，表现出绝缘特征。

图3. MD MoS₂FETs的低温输运测量

四、MoS₂MODFETs中杂质散射抑制电荷输运。

为了进一步了解电子的散射机制，本工作研究了四探针器件的温度依赖性迁移率特性。图4a为未掺杂(左)和掺杂(右)的MD和DD器件的四探针迁移率(μ4p)随温度的变化曲线。在分子掺杂前，两种器件在VBG=70V处表现出类似的温度依赖性迁移率行为，迁移率随着温度降低而增大，在100K达到最高，这表明电荷传输受到声子散射的限制。分子掺杂后，在200~300K的高温区，MD和DD器件的μ_4p均随温度的降低而增大。在高温区，声子散射占主导地位，但由于与MoS₂通道紧密接触的分子掺杂剂的库仑势，带电杂质散射仍然明显。200K以下的低温区域，对于MD器件，随着温度的不断降低，μ_4p单调增加，且在100K以下达到最高。但对于DD器件，μ_4p在200K左右达到一个峰值，随着温度进一步下降而逐渐减小。表明由于电子及其母体掺杂剂的空间分离，MD器件中的杂质散射被抑制。

图4. 温度相关的迁移率行为及相关的散射机制

结论与展望：

总的来说，本工作报道了带调制WSe₂/hBN/MoS₂vdW异质结中的远程电荷转移掺杂。通过将WSe₂表面的电荷载流子与掺杂剂进行空间分离，与直接掺杂的场效应管相比，在保持2D通道载流子密度不变的情况下，通过减少掺杂剂的诱导散射，可以获得更高的迁移率。通过温度依赖的电学表征证实了迁移率增强(可达18倍)和杂质散射抑制的输运特性。该方法可以用来控制二维场效应管中载流子的迁移率和密度，对发展高性能的二维半导体材料，如HEMTs有很高的价值。

论文doi：

https://doi.org/10.1038/s41928-021-00641-6

本文由温华供稿。