《Applied Surface Science》：Emerging p-type 2D AsP: ambient aging-driven electrical modulation via conduction path reconfiguration
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本研究系统探究了AsP纳米片在空气中的老化行为及其对器件性能的影响。通过长时间观测发现氧化增强p型导电性但降低噪声性能，同时构建的逆变器电路表现出优异的开关特性和电压增益，证实AsP在下一代2D CMOS电路中的潜力。
作者：Hyeran Cho, Chan Sol Mun, Doyoon Kim, Eui-Hyoun Ryu, Gyu-Tae Kim
所属机构：韩国首尔韩国大学电气工程学院
摘要
开发高性能且耐空气环境的p型二维半导体仍然是当前主要研究n型半导体的领域中的一个关键挑战。砷磷（AsP）作为一种具有比黑磷（BP）更高环境稳定性的有前景的p型半导体材料，在实际器件应用中展现出巨大潜力。尽管如此，从材料科学和器件设计的角度对其退化行为的研究却相对较少。本研究首次探讨了AsP纳米片在环境中的老化行为，并进一步制备了多层AsP晶体管，以系统地研究其在环境条件下的电学特性。长达106小时的时间分辨物理和电学分析表明，氧化作用增强了p型半导体的导电性，但同时降低了器件的噪声性能。基于CNF和CNF-CMF模型框架的跨导分析和噪声建模结果揭示了导电路径的变化，这种变化显著影响了器件的整体电学性能和有效陷阱密度。此外，使用暴露在空气中的AsP晶体管构建的逆变器电路表现出更好的开关特性和电压增益，证实了其在实际应用中的潜力。这些发现为深入了解尚未充分研究的AsP晶体管在环境中的行为提供了基础，并为开发下一代二维CMOS电路所需的高性能p型半导体奠定了基础。
引言
随着基于硅的半导体器件尺寸缩小到10纳米以下，它们面临着短沟效应、迁移率降低和功耗增加等关键问题[1,2]。相比之下，具有范德华键合层状结构的二维（2D）半导体具有高迁移率、原子级薄度、无缺陷表面等优势特性，使其成为下一代电子产品的理想候选材料。自从发现无能隙半导体石墨烯[3]以来，已经研究了多种具有n型、p型和双极传输特性的2D材料。然而，由于强电子施主杂质和界面电荷相关的问题，大多数2D半导体本质上呈现n型导电性[4,5]。因此，现有研究主要集中在MoS2、WS2和ReS2等n型半导体上，因为它们具有优异的电子传输能力和相对较高的环境稳定性。另一方面，WSe2、MoTe2和黑磷（BP）等材料被提出作为双极或p型半导体。其中，BP是研究最为深入的p型2D半导体之一，其理论空穴迁移率高达10,000–26,000 cm2 V?1 s?1 [6]，实验验证值约为6,000 cm2 V?1 s?1 [7]。然而，BP在暴露于氧气和湿气后极易发生退化，表面氧化会在数小时内发生[8]，这严重降低了器件的性能，限制了其实际应用。因此，开发高性能且耐空气环境的p型2D半导体对于实现CMOS逻辑电路至关重要。
为了解决BP的不稳定性问题，最近引入了砷磷（AsP）材料，通过用砷部分替代磷来提高材料的稳定性。在AsxP1-x体系中，增加砷的含量会促使半导体从绝缘体向金属转变[9]并减小带隙。理论上，单层AsP的带隙为1.54 eV，载流子迁移率可超过14,000 cm2 V?1 s?1 [10]。更重要的是，AsP相比纯磷具有更好的环境稳定性[11]，这表明它有望成为BP的替代品。尽管具有这些优点，但由于AsP的带隙较窄（0.15–0.3 eV），现有研究主要集中在其可调带隙和光电探测器应用方面[12–16]。此外，关于其电子器件应用及作为逻辑器件可行性的基础研究仍然较少。
特别是，关于AsP基器件在环境老化过程中的电学性能变化尚未得到充分研究。以往对不稳定2D材料的研究通常将空气暴露视为退化因素，因此主要集中在钝化和封装等缓解策略上。然而，亟需阐明环境条件如何从根本上影响AsP器件的性能，尤其是在高性能光电探测器和逻辑电路的应用背景下。
本研究系统分析了多层AsP场效应晶体管（FET），以评估其作为BP替代品的潜力。通过拉曼光谱、原子力显微镜（AFM）和X射线光电子能谱（XPS）进行了时间分辨表征，以监测材料在环境暴露下的退化和氧化情况。电学测量用于追踪电流-电压特性和性能参数的变化，同时分离了沟道和接触部分的贡献，以确定影响器件退化的主导因素。老化前后的低频噪声测量进一步分析了陷阱密度和导电机制的变化。本研究为了解AsP晶体管在环境条件下的性能演变提供了基础，并为这种未充分研究的p型2D半导体在逻辑器件中的应用奠定了基础。
研究片段
剥离的AsP片层的环境氧化行为
在器件制备之前，对所使用的AsP材料的成分和氧化行为进行了表征。图1a比较了BP和AsP沿扶手椅方向（y轴）的晶体结构。与BP类似，AsP也具有正交晶格和蜂窝状结构，其中砷原子和磷原子交替排列。由于砷的原子半径大于磷，随着砷含量的增加，晶格常数也随之增大[19]。结论
本研究系统研究了多层AsP晶体管在环境中的老化行为，以评估其作为高性能、耐空气环境的p型二维半导体的潜力。时间分辨的电学和光谱分析表明，氧化引起的p型掺杂与结构退化的共同作用导致导电路径发生变化，从而使得阈值电压、迁移率和接触参数等器件参数随时间发生调制。
器件制备
采用胶带法从块状AsP晶体中机械剥离出多层黑砷磷（AsP）片层，并将其转移到清洁后的90纳米SiO2/Si基底上。然后旋涂C4抗蚀剂，并通过电子束光刻（MIRA3, TESCAN; ELPHY Quantum, Raith）定义源/漏极图案。接着通过电子束蒸发（INFOVION 1007E-PD）沉积50纳米厚的金层，随后在丙酮中剥离。样品经过退火处理后...作者贡献声明
Hyeran Cho：负责撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。
Chan Sol Mun：负责撰写、审稿与编辑、数据可视化、实验研究、数据管理。
Doyoon Kim：负责实验研究。
Eui-Hyoun Ryu：负责数据可视化。
Gyu-Tae Kim：负责撰写、审稿与编辑、结果验证、项目监督、资源协调、资金申请、概念构建。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。致谢
本研究得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）的资助（项目编号：RS-2025-22792968）。
