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超薄MoSe2层中的场效应晶体管和本征迁移率
S.Larentis, B. Fallahazad, and E. Tutuc
电子与计算机工程系微电子研究中心德克萨斯大学奥斯汀分校，德州奥斯
汀，TX78758，美国
我们报告了利用超薄的机械去叶MoSe2薄片制作背栅场效应晶体管(fet)。MoSe2场效应晶体管为n型，具有高栅调制，通断比大于106。在交换源和漏极时，器件表现出非对称特性，这一发现可以用金属接触/MoSe2界面上肖特基势垒的存在来解释。利用四探针，被栅极设备，我们测量了MoSe2的本征电导率和迁移率，并将其作为栅偏置和温度的函数。 所以室温迁移率为50 cm2/V·s的样品对温度的依赖性很强，说明声子是主要的散射机制。
过渡金属双卤族化合物(TMDs)是一种用MX2公式表征的材料，其中M代表过渡金属(Mo, W)， X代表硫原(S, Se或Te)。过渡金属双卤属为层状材料，由x - m - x结构的层组成。在每一层中，M-X键是共价的，而不同的层是通过范德华相互作用结合的。最近的研究证明，利用微机械剥离分离石墨烯单层也是获得各种TMDs薄片的有效方法。借助于SiO2/Si基板上的厚度对比，可以用光学显微镜对这些层进行识别。各种基于tmd的电子设备已经被证明，其中MoS2被研究得最广泛。例如包括 MoS2 单层 N型的场效应晶体管 (FETs), MoS2光电晶体管, MoS2 影响化学传感器, 逻辑门, 记忆细胞和放大器使用大的MoS2薄片.此外，利用单分子层WSe2的上门禁p型场效应晶体管和利用多层ws2的双极性背控场效应晶体管也得到了证明。基于tmd的场效应晶体管通常具有较高的通断比，大于106。这种半导体可以被缩小到0.7纳米厚度的单层，这使得它们成为极具吸引力的超薄体，可以用于大规模的场效应晶体管。与石墨烯相比，更大的带隙可以保证更大的通断比。
在本研究中，我们考察了另一种TMD中的电子输运，即MoSe2，这是一种间接带隙为1.1eV的半导体，其电子输运增加到1.55 eV，并在单层和双层中成为直接的,直接进行讨论了利用超薄MoSe2薄片在SiO2/Si基板上机械剥落的场效应晶体管的实现。MoSe2场效应晶体管为n型，具有良好的门控性能，通断比大于106。四探针，门控装置允许我们测量固有电导率，提取MoSe2的迁移率。温度(T)依赖表明，流动性显著增加随着温度的降低，表明声子室温下主要是散射。
这里使用的MoSe2薄片是通过使用商用MoSe2粉末（材料公司）进行微观机械剥落而制备的，该粉末的粒度小于44mu;m（网丝-325）。MoSe2片在285nm厚的SiO2薄膜上剥落，在高掺杂n型Si（100）晶圆（NDgt;1020cm-3）上热生长。用光学显微镜对剥落的薄片进行了鉴定，并用原子力显微镜（AFM）对其厚度进行了测量。图1（a）显示了二氧化硅/硅衬底上MoSe2薄片的光学显微照片，而图1（b）显示了AFM探测的薄片形貌，显示了分层立桩。典型的薄片尺寸为1-3微米，其厚度范围为3-80纳米。单个MoSe2薄片通常显示具有不同厚度的平台，平台表面粗糙度范围为0.2到0.6纳米。285nm厚的二氧化硅衬底上MoSe2的光学对比度允许识别薄至4.8nm（7层）的薄片。
为了评估MoSe2的质量，我们对粉末样品进行了X射线衍射（XRD）。图1（c）所示的功率XRD图与2H干皂石图相匹配，确保我们的材料具有具有空间基团D46h（P63/mmc）的六角2H-MoSe2结构，并与先前的MoSe2粉末XRD研究一致。＜002＞峰的半峰宽（FWHM）为0.223。为了进一步评估剥落的MoSe2薄片，我们使用雷尼肖因维拉曼显微镜进行了mu;-拉曼光谱分析。图1（d-e）显示了在MoSe2薄片上使用442nm[图1（d）]和532nm[图1（e）]激发波长的拉曼光谱。图1（d-e）显示了在MoSe2薄片上使用442nm[图1（d）]和532nm[图1（e）]激发波长的拉曼光谱。正如Sekine等人和最近Tongay等人所报告的那样，图1（d）的光谱在入射激光功率为30 mW和650 nm光斑尺寸时在169、242、285和352 cm-1处呈现四个峰值，分别对应于E1g、A1g、E12g和A22u模式。我们注意到A22u模（352cm-1）是红外激活模，在体样品的拉曼散射中不存在。这种模式在薄片上的拉曼散射中的出现表明反转对称性的破坏，可能是由于基底的缘故。最近在Bi2Te3纳米板的拉曼光谱研究中也进行了类似的观察。用5 mW入射激光功率获得的图1（e）的拉曼光谱显示出与图1（d）数据相似的峰值，但是相对于其他模式具有更高的A1g峰值强度（242 cm-1）。这一观察结果与先前的研究一致，这些研究表明，在较长的激发波长下，A1g模式的分辨率更好。
图1.（彩色联机）（a）二氧化硅/硅衬底上MoSe2薄片的光学显微照片。（b） 面板（a）中所示相同薄片的较薄部分（光学图像中较暗部分）的AFM形貌。数据显示了在MoSe2薄片中分层立桩。（c） MoSe2粉末XRD数据。（d-e）在MoSe2薄片上用442nm[板（d）]和532nm[板（e）]的激发波长获得的拉曼光谱
图1（d）的E1g、A1g、E12g和A22u拉曼峰的半高宽分别为5.5、5.2、7和5cm-1。在所有情况下，假设洛伦兹拟合，图1（e）的A1g峰半高宽为3.5cm-1。在442nm的激发波长下，较高的半高宽值可以用较高的入射激光功率来解释。以往对MoS2的拉曼光谱研究也显示出同样的趋势，这是由增强的热效应所解释的。
为了对剥落的MoSe2薄片进行电探针探测，我们选择一个统一厚度的单一梯田来定义。场效应晶体管的有源区。电子束结合反应离子刻蚀的光刻技术然后使用Cl2定义设备活动区域。这个金属触点由第二个EBL步骤定义通过80nm厚的镍蒸发和剥离。高度掺杂硅衬底用作MoSe2场效应晶体管的背栅。几个二点和四点背栅场效应研究了晶体管（FET）的特性。
图2.（a） 在不同的VG值下测量的ID与VD。数据显示，在低VD下的超线性行为表明金属MoSe2接触处存在肖特基势垒。（b） 在VD=50 mV（实心正方形）和VD=1 V（开圆）时测量的ID与VG记录道，在VD=1 V时离子通断比gt;106。
如图2所示在5.8nm厚的MoSe2薄片上（约8层），沟道长度L=1.8mu;m，宽度W=0.8mu;m。本文中的测量是在真空（~10-7torr）和黑暗中进行的。在每次测量中，源触点接地，而漏极偏压。图2（a）显示了在室温下测量的各种背栅电压（VG）下的漏电流（ID）与漏电压（VD）的传输特性。与传统的场效应管相比，ID-VD依赖性主要是线性的，并且在高漏偏压下不显示饱和。此外，ID-VD数据在低漏偏压下表现出轻微的超线性行为，这表明电子是通过金属（Ni）-半导体界面的肖特基势垒注入的。图2（b）显示了在两种不同的漏偏压VD=50mv和VD=1v下测得的传输特性（ID-VG）。该器件表现为n型行为，并且在VGlt;0v时从自由载流子耗尽。该器件的阈值电压VT0v似乎与VD没有明显变化，与长通道器件一致。VD=1v曲线上的离子通断比大于106，与报道的MoS2、WS2和WSe2设备的开关比值相似，并由表征这类材料的大能量隙解释。
为了进一步探测MoSe2中的电子注入，在图3中，我们展示了在相同的两点背栅MoSe2场效应管上测量的两组输出特性，但在每个数据集中使用不同的源触点。对于相同的VG值，根据用作源的物理接触获得不同的ID值。ID-VD数据的这种不对称性进一步证实了金属-半导体接触处存在肖特基势垒。因此，电子注入不仅取决于器件的几何结构，例如接触面积，还取决于金属/MoSe2界面上的电场，因此对MoSe2薄片厚度、SiO2介电厚度以及栅极和漏极偏压敏感。肖特基势垒接触是其他纳米电子器件，如碳纳米管（CNT）和纳米线器件的常见场所。非欧姆接触的存在通过降低通态电流对器件性能产生不利影响，并阻止对器件特性的定量分析。最重要的是，从诸如图2的数据中提取MoSe2的内在移动性是困难的。
为了探测MoSe2片的本征迁移率，我们制作了四点背栅器件，该器件允许在不受金属-半导体肖特基势垒接触电阻影响的情况下进行电导测量。图4（a）的插图示出了四点MoSe2装置的AFM图像。标记为S和D的外部触点分别用作源极和漏极。内部触点（V1，V2）用作电压探针，并且与MoSe2片有有限的重叠，以最小化沟道中栅极感应电荷密度的屏蔽。测量的通道电导（G）定义为G=ID/（V1-V2）。图4（a）显示了在298到78k的不同T值下测得的G与VG数据。对于低于阈值电压（VT）的VG值，G保持消失。高于阈值时，G随VG增加，具有近似线性相关性。随着温度的降低，电压互感器逐渐向更高的电压移动。
图3.（彩色联机）通过交换同一设备上的漏极和源极触点而获得的不同ID-VD数据集。S和D触点交换时ID值的不对称性是肖特基接触场效应晶体管的特点。
为了用T来偏移VT移位，图4（b）示出了在不同T值下的G与VG-VT。图4（b）数据显示dG/d（VG-VT）斜率随T的减小而显著增加。因此，本征迁移率可以提取为M=（L/W）；（dG/dVG-Cox-1，其中Cox=1.2 x10-8F·cm-2是285nm厚的底部二氧化硅电介质的容量；L和W分别表示有源器件区域的长度和宽度。图4（b）中的昆虫显示了三种不同装置的迁移率随温度的变化。室温迁移率高达50cm2/V·s,当温度降低到78k时，迁移率几乎增加了4倍。在二维中，带电杂质散射在简并极限中导致与温度无关的迁移率，如石墨烯的情况，和非简并二维电子系统的mu;T依赖性。声学声子散射产生mu;T-1依赖性，光学声子散射，包括极性光学声子，在tmd中产生更强的T依赖性。将符合功能的形式mu;-1（T）=A BTᵛ与图4（b）插图中的mu;vs.T数据进行函数拟合，得出最高迁移率样品的指数=2.1，表明该样品中声子散射占主导地位。对大块MoSe2样品进行的与温度有关的霍尔迁移率测量结果表明，随着温度的降低，迁移率增
图4.（彩色联机）（a）在298到78K的不同温度下G与VG的对比。数据显示高于阈值的线性依赖性，结合在降低T时向更高电压的VT偏移。插图：四点装置的AFM图像。相应
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