Понимание электрического поведения дисульфида молибдена в 2d электронике
Введение дисульфида молибдена в 2D-электронику
Дисульфид молибдена (MoS2) стал ведущим материалом в быстро развивающейся области двумерной (2D) электроники. В качестве слоистого дихалькогенида переходного металла (TMD) MoS2 состоит из атомов полуобнаженного молибдена, расположенных между двумя плоскостями атомов серы, удерживаемых вместе слабыми силами ван дер Ваальса. Эта структура позволяет отшелушивать до отдельных атомных слоев, что позволяет изучать и использовать действительно 2D-полупроводники. В отличие от графена, который демонстрирует нулевой разрыв, который ограничивает его использование в логических устройствах, монослой MoS2 обладает прямым разрывом примерно 1,8 эВ, что делает его идеальным для полупроводниковых применений. Это уникальное электрическое поведение в сочетании с механической гибкостью и химической стабильностью позиционирует MoS2 как перспективного кандидата для транзисторов следующего поколения, фотоприемников, датчиков и гибкой электроники.
Основные электрические свойства MoS2
Электрическое поведение MoS2 регулируется его полосовой структурой, механизмами переноса и реакцией на внешние поля.Понимание этих фундаментальных свойств необходимо для проектирования надежных 2D-электронных устройств.
Полупроводниковая структура и полупроводниковая природа
Bulk MoS2 представляет собой непрямой полупроводник с разрывом около 1,2 эВ. Однако при разжижении до монослоя материал подвергается переходу к прямому разрыву 1,8-1,9 эВ из-за квантового ограничения и изменений орбитальной гибридизации. Этот прямой разрыв обеспечивает эффективное поглощение света и излучение, что делает монослой MoS2 подходящим для оптоэлектронных устройств. Полосатый разрыв также обеспечивает высокое соотношение тока в полевых транзисторах (FET), часто превышающее 106, что критически важно для цифровой логики, где требуется низкая утечка в несостоянии.
Перевозочная мобильность и транспортные механизмы
Мобильность носителей заряда в MoS2 обычно ниже, чем у графена или традиционных полупроводников, таких как кремний. Сообщаемые электронные подвижности варьируются от 50-200 см2/В·с для отшелушиваемых хлопьев на подложках SiO2, в то время как нетронутые взвешенные образцы могут достигать до 500 см2/В·с. В мобильности преобладает рассеивание фононов при комнатной температуре, но также сильно зависит от заряженных примесей, поверхностных оптических фононов из подложки и межслойной связи в многослойных структурах. Мобильность дыры обычно ниже из-за большей эффективной массы (0,6-0,8 м0 по сравнению с 0,4-0,5 м0 для электронов) и более сильное рассеяние от дефектов. Понимание этих ограничений транспортировки является ключом к оптимизации производительности устройства.
Высокое соотношение включения/выключения и производительность коммутации
Широкий диапазон монослоя MoS2 естественным образом подавляет генерацию теплоносителя, что приводит к токам в несостоянии в диапазоне пикоампера и соотношениям включения/выключения до 108 в хорошо спроектированных устройствах. Эта комбинация низкого тока и умеренного тока позволяет совершать подпороговые колебания до 60 мВ/десятилетие при комнатной температуре, приближаясь к тепловому пределу. Такие характеристики делают MoS2 FET привлекательными для цифровых схем с низкой мощностью и высокой плотностью.
Слой-зависимая проводимость
По мере увеличения количества слоев, полоса пропускания сужается и переходит от прямого к косвенному. Например, двухслойная MoS2 имеет косвенную полосу пропускания примерно 1,6 эВ, в то время как пятислойные пленки демонстрируют полосу пропускания около 1,3 эВ. Эта зависимость толщины напрямую влияет на электрическую проводимость и концентрацию несущей. В устройствах с несколькими слоями межслойная связь вводит дополнительные каналы проводимости, часто приводя к более высокой общей мобильности в более толстых пленках, хотя и с уменьшением отношения включения/выключения. Поэтому тщательный выбор количества слоев необходим для балансировки скорости переключения, утечки и тока привода для конкретных применений.
Ключевые факторы, влияющие на электрическое поведение
Несколько внешних и внутренних факторов могут изменить электрические свойства MoS2, что часто усложняет изготовление устройства и воспроизводимость производительности.
дефекты и примеси
Структурные дефекты, такие как вакансии серы, интерстициалы молибдена и границы зерна, распространены как в отшелушенных, так и в синтезированных MoS2. Эти дефекты создают состояния ловушки среднего разрыва, которые захватывают носители заряда, снижая эффективную концентрацию и мобильность носителей. Вакансии серы особенно вредны, потому что они действуют как донорские состояния, снижая пороговое напряжение и увеличивая утечку за пределы состояния. Разработаны методы пассивации, включая химию тиола и инкапсуляцию с гексагональным нитридом бора (h-BN), чтобы минимизировать эти эффекты. Примеси, введенные во время роста, такие как загрязнение кислородом или углеродом, дальнейшее ухудшение производительности, делая сверхвысокий вакуумный синтез и чистые процессы передачи, необходимые для надежной электроники.
Подстраивайте взаимодействия
Подложка глубоко влияет на электрическое поведение MoS2. Традиционные подложки SiO2 заряжают ловушки и представляют шероховатые поверхности, которые рассеивают носители. Диэлектрики высокого класса, такие как HfO2 и Al2O3, могут улучшить управление затвором и уменьшить рассеяние, но также вводят интерфейсные ловушки, которые влияют на стабильность порогового напряжения. Гетероструктуры Van der Waals - размещение MoS2 на h-BN или графене - минимизируют допинг и расстройство, вызванные подложкой, что приводит к улучшению мобильности до 1000 см2 / V·s в лучших примерах. Выбор подложки, следовательно, играет решающую роль в достижении воспроизводимых и высокопроизводительных устройств.
Условия окружающей среды
Воздействие окружающего воздуха вызывает деградацию электрических свойств MoS2 с течением времени. Кислород и молекулы воды адсорбируются на поверхности, вводя допинговые эффекты p-типа и состояния поверхностной ловушки, которые сдвигают пороговое напряжение и увеличивают гистерезис. Длительное воздействие также может окислять материал, образуя оксиды молибдена, которые ухудшают качество интерфейса. Устройства должны либо работать в инертных средах, инкапсулированных с Al2O3 или h-BN, либо пассивироваться органическими молекулами покрытия для поддержания стабильных электрических характеристик. Фотоиндуцированный допинг под освещением - это еще один экологический эффект, который можно использовать для фотоприемников, но усложняет логическую работу.
Диэлектрическая среда
Диэлектрическая постоянная окружающей среды модулирует скрининг Кулона и, следовательно, энергию связывания экситона и мобильность несущей. Высокодиэлектрическая среда (например, путем покрытия ионными жидкостями или диэлектриками с высоким К) уменьшает воздействие заряженных примесей, повышая мобильность и снижая пороговое напряжение. Однако она также увеличивает паразитную емкость и может вводить низкочастотный шум. Понимание взаимодействия между диэлектрической средой и внутренними свойствами MoS2 имеет решающее значение для оптимизации конструкции устройства как в логических, так и в чувствительных приложениях.
Приложения для устройств, использующие электрические свойства
Уникальные электрические характеристики MoS2 позволяют использовать различные электронные и оптоэлектронные устройства, которые используют полупроводниковую природу, механическую гибкость и химическую стабильность.
Полевые транзисторы (FET)
MoS2 FETs являются наиболее изученной архитектурой устройства. Используя монослой или несколько-слойный канал, исследователи продемонстрировали транзисторы с высоким соотношением включения / выключения (106-108), низкое подпороговое качание (60-80 мВ / дэк) и конкурентные приводные токи 100-300 мкА / мкм в устройствах с коротким каналом. Эти показатели производительности конкурируют с показателями кремниевых FET для приложений с низким энергопотреблением. Критические достижения включают использование диэлектриков с высоким К затвором (например, HfO2, Al2O3) для усиления управления затвором и принятие 1D краевых контактов (например, применение металлических электродов через передаточную печать) для снижения сопротивления контакта ниже 1 кОм·мкм. Все вокруг структур затвора и интеграции на уровне схемы (например, инверторы, кольцевые осцилляторы) также были продемонстрированы, доказав жизнеспособность MoS2 для логики.
Фотодетекторы и оптоэлектроника
Прямой диапазон монослоя MoS2 обеспечивает сильное взаимодействие свет-материя, с поглощением > 5% на монослой по всему видимому спектру. Фотодетекторы на основе MoS2 показывают отзывчивость, превышающую 1 A/W при низком смещении, и время отклика до микросекунд. Фототранзисторы могут достигать высокого фотопроводящего усиления путем захвата носителей и продления срока службы несущей. Интеграция с другими 2D-материалами, такими как графеновые электроды или гетероструктуры WSe2, позволяет селективное и быстрое фотообнаружение. Также сообщалось о фотоэлектрических устройствах и светоизлучающих диодах (LED), использующих MoS2 в качестве активного слоя, хотя эффективность остается ограниченной из-за нерадиационной рекомбинации от дефектов.
Сенсоры
Электрическая проводимость MoS2 высокочувствительна к адсорбированным молекулам, что делает его эффективной платформой для химических и биологических датчиков. Для газочувствительных MoS2 проявляет высокую чувствительность к NO2, NH3 и влажности при комнатной температуре, с ограничениями обнаружения в диапазоне частей на миллиард. Механизм зондирования включает перенос заряда между аналитом и каналом MoS2, вызывая измеримые изменения сопротивления или емкости. Функционализация с металлическими наночастицами, аптамерами или ферментами дополнительно повышает селективность и позволяет обнаруживать биомаркеры, такие как дофамин и глюкоза. Гибкость и прозрачность пленок MoS2 также позволяют интегрироваться в носимые сенсорные массивы.
Гибкая и прозрачная электроника
Механическая гибкость и оптическая прозрачность монослоя MoS2 (более 90% видимой прозрачности) делают его сильным кандидатом на носимую и конформную электронику следующего поколения. MoS2 FET на полимерных подложках (например, PET, полиимид) может выдерживать изгиб радиусов до 1 мм при сохранении > 90% их первоначальной производительности. На гибких платформах были продемонстрированы интегральные схемы, такие как логические затворы, элементы памяти и даже радиочастотные (RF) устройства. Прозрачность дополняет приложения в дисплеях, где MoS2 может служить как коммутирующим элементом, так и светоизлучающим слоем.
Стратегии для улучшения электрических свойств
Несмотря на свои обещания, электрические характеристики MoS2 все еще должны быть улучшены, чтобы удовлетворить требования промышленных применений.Разработано несколько стратегий для решения проблем мобильности, контактов и дефектов.
Допинг и легирование
Замещающий допинг — замена молибдена ниобием (p-тип) или рением (n-тип) — может контролировать тип и концентрацию носителя. Ренийный допинг, например, увеличивает концентрацию электронов до 1019 см-3, улучшая ток, но уменьшая подвижность из-за увеличения рассеяния. Допинг переноса поверхностного заряда с использованием молекул, таких как бензил-виологен (n-тип) или F4TCNQ (p-тип), обеспечивает неразрушающий способ модуляции плотности носителя. Легирование MoS2 с другими TMD (например, MoSe2, WS2) адаптирует разрыв полосы и эффективную массу, позволяя оптимизировать как мобильность, так и коэффициент переключения.
Гетероструктурная инженерия
Гетероструктуры Ван-дер-Ваальса объединяют MoS2 с другими 2D-материалами для преодоления его внутренних ограничений. Размещение MoS2 на h-BN уменьшает рассеяние подложек, в то время как использование графенового заднего шлюза снижает сопротивление контакта. Гетероструктуры типа II с WSe2 или MoTe2 позволяют создавать новые явления разделения заряда для фотоэлектрических и логических устройств памяти. Поздние гетероструктуры (например, MoS2-WS2) можно выращивать за один шаг, обеспечивая атомно резкие интерфейсы, которые уменьшают контактные барьеры.
Инженерный дефект
Контролируемое введение дефектов или вакансий может быть использовано для настройки электрических свойств. Вакансии серы могут быть заполнены мягким отжигом серы, заживлением материала и улучшением подвижности в два-четыре раза. И наоборот, преднамеренное создание вакансий посредством плазменной обработки может увеличить каталитическую активность MoS2 для сенсорных применений. Пассивация атомного масштаба с использованием органических молекул (например, олеиламин) также снижает плотность ловушки, что приводит к снижению гистерезиса и более стабильным пороговым напряжениям.
Контактная инженерия
Высокое контактное сопротивление на интерфейсе металл-MoS2 является основным узким местом. Подходы к его снижению включают использование навалочных контактных площадок MoS2 (избирательно утолщающих канал под электродами), развертывание низкофункциональных металлов (например, скандия, титана) для контактов n-типа и добавление графена или металлического TMD-слоя. Передача предварительно изготовленных контактов во время процесса отшелушивания также дает атомарно чистые интерфейсы с незначительным защемлением на уровне Ферми, достигая контактных сопротивлений ниже 200 Ω·μm.
Проблемы и будущие направления
Хотя MoS2 показал исключительные перспективы, перед широким коммерческим развертыванием в 2D-электронике необходимо преодолеть несколько проблем.
Ограничения мобильности и вариации
Наибольшая подвижность, о которой сообщалось для MoS2 (~500 см2/В·с в взвешенных образцах, ~200 см2/В·с на h-BN), по-прежнему на порядок ниже, чем у черного фосфора или графена. Это ограничивает приложения, требующие высокоскоростного переключения, такие как радиочастотная электроника. Переменная плотность от образца к образцу, вызванная неконтролируемой плотностью дефектов, шероховатостью субстрата и допингом окружающей среды, усложняет конструкцию схемы. Разработка методов роста и обработки, которые последовательно дают почти нетронутые монослои, является активной областью исследований.
Синтез и единообразие больших пространств
Большинство высокопроизводительных устройств MoS2 изготовлены с использованием механического отшелушивания природных кристаллов, что дает только небольшие хлопья (десятки микрометров). Химическое осаждение паров (CVD) и металлоорганическое CVD (MOCVD) могут производить пленки в масштабе пластин, но они часто страдают от высокой плотности дефектов, границ зерна и неоднородной толщины, все из которых ухудшают электрические свойства. Недавний прогресс в методах посева и роста на сапфировых или Au поверхностях улучшил качество кристаллов, но дальнейшая уточнение требуется для достижения однокристаллических пластин MoS2, сопоставимых с кремнием.
Интеграция с кремниевыми технологиями
Для практической электроники MoS2 должен быть интегрирован с существующей инфраструктурой CMOS кремния. Это включает в себя низкотемпературную обработку, совместимую металлизацию и выравнивание слоев MoS2 для контактных площадок. 3D-интеграция - укладка логических слоев MoS2 поверх Si CMOS - является амбициозным, но многообещающим способом расширения закона Мура. Необходимо решить проблемы с тепловым бюджетом и различия в адгезии слоев. Первоначальные демонстрации монолитных 3D-интегральных схем с использованием MoS2 FETs поверх Si-схем показывают перспективы, но надежность и выход остаются низкими.
Масштабируемость и производство
Переход от отшелушивания лабораторного масштаба к промышленному производству требует автоматизированной обработки, передачи и узора 2D-материалов. Разрабатываются методы переноса, которые избегают остатков полимера (например, с использованием ленты термовыпуска или деламинации воды). Литография на 2D-поверхностях требует чрезвычайно щадящих процессов, чтобы избежать введения дефектов. В конечном счете, экономическая жизнеспособность электроники MoS2 будет зависеть от стоимости синтеза больших областей, уменьшения дефектов и способности производить надежные высокопроизводительные устройства на восьмидюймовых (200 мм) или больших подложках.
Заключение
Дисульфид молибдена выделяется среди слоистых материалов своим сбалансированным сочетанием полупроводникового поведения, механической гибкости и экологической стабильности. Его электрические свойства, включая прямой разрыв, высокое соотношение включения / выключения и умеренную мобильность, делают его сильным кандидатом на следующее поколение ультратонких, изгибаемых и прозрачных электронных устройств. Производительность MoS2, однако, очень чувствительна к дефектам, выбору подложки и условиям окружающей среды, что требует тщательной разработки интерфейсов и пассивации. Заглядывая вперед, ожидается, что дальнейшие достижения в допинге, проектировании гетероструктуры, контактной инженерии и синтезе больших областей, вытолкнут MoS2 из лаборатории в реальные приложения, охватывающие логику, датчики, оптоэлектронику и носимые системы. По мере созревания поля, MoS2, вероятно, станет основополагающим материалом в инструментальном наборе 2D-электроники, дополняя графен и другие TMDs для преодоления ограничений традиционной кремниевой технологии.
Для дальнейшего чтения о электрическом поведении дисульфида молибдена в 2D-электронике см.: