肖特基势垒及接触引起的沟道内应变变化对单层MoS2晶体管电学特性的影响

《Small Science》：Impact of the Schottky Barrier and Contact-Induced Strain Variations inside the Channel on the Electrical Behavior of Monolayer MoS2 Transistors

单层MoS?薄膜场效应晶体管的多尺度研究表明，采用液相前驱体中介化学气相沉积（LPI-CVD）制备的器件具有优异的电学性能（Ion/Ioff >106，阈值电压36.5V正常关断行为）。通过凯尔文探针力显微镜（KPFM）和微拉曼光谱揭示，源/ drain金属接触（Ni/Au）导致薄膜应变分布不均：中心区域tensile strain增加，边缘区域因金属沉积产生压缩应变（Δε≈0.16%）。这种应变梯度影响载流子迁移率（μ=4.16cm2-1s-1）和能带结构，进而导致Schottky势垒高度降低（ΦB,FB=0.21eV）。光致发光（PL）能量在边缘区域蓝移20meV，证实应变调控对光电器件性能的影响。研究为超尺度MoS?器件的界面工程与应变控制提供新方法。

　　在二维材料的研究中，MoS?（二硫化钼）因其独特的物理特性而备受关注。作为过渡金属二硫化物家族中的一种，MoS?的电子和光学性能在不同厚度下表现出显著的差异。例如，当其被制备为单层（1L）时，其带隙呈现直接带隙特性，约为1.8–1.9 eV，而多层结构则为间接带隙，带隙宽度约为1.2 eV。这种厚度依赖的带隙特性使得MoS?成为用于场效应晶体管（FETs）和光电子器件（如光电探测器、太阳能电池和单光子源）的理想材料。此外，MoS?还因其良好的环境稳定性和天然丰富的资源，被认为在下一代超小型电子器件设计中具有巨大的潜力。

为了实现MoS?在高性能FETs中的应用，需要对材料的均匀性进行精确控制，尤其是在晶体管沟道区域。这不仅涉及MoS?的合成工艺，还涉及其与背栅绝缘层和源漏电极之间的界面特性。由于MoS?在传统硅基技术节点上面临物理极限，研究者们开始探索其作为替代材料的可能性，特别是在实现摩尔定律进一步扩展的背景下。因此，研究者们提出了多种方法来改善MoS?的合成质量，包括自上而下的方法（如金属辅助剥离）和自下而上的方法（如化学气相沉积（CVD）和金属有机化学气相沉积（MOCVD））。

其中，液态前驱体介导的化学气相沉积（LPI-CVD）作为一种成本效益高且可扩展的方法，近年来引起了广泛的关注。这种方法通过使用液态前驱体溶液（如稀释的(NH?)Mo?O??在NaOH中溶解，并与碘化醇混合以增加溶液的粘度），在820°C下进行硫化处理，能够在SiO?/Si基底上生长出大面积、高均匀性的MoS?薄片。通过扫描电子显微镜（SEM）图像可以看到，MoS?薄片呈现出近似三角形的形状，尺寸从几十微米到几百微米不等。而通过原子力显微镜（AFM）的形貌和相位图像，可以进一步分析MoS?与基底之间的界面结构，以及其在边缘和中心区域的差异。

研究还发现，MoS?的厚度在大部分区域是均匀的，但在某些薄片的中心区域呈现出较厚的特征，这可能是由于局部的晶体生长或沉积过程中产生的微小结构差异。这些结构差异对MoS?的性能有重要影响，尤其是在源漏电极附近的界面处。通过微拉曼光谱和微光致发光（PL）光谱的分析，研究者们发现MoS?在沟道区域的拉曼峰频率和PL能量分布存在不均匀性，这与源漏电极附近的金属沉积引起的应变变化有关。具体来说，拉曼光谱中的E?g和A?g峰频率变化表明，MoS?在沟道中心区域表现出较高的张应变，而在靠近源漏电极的位置则表现出减少的张应变，即出现了压缩应变。这种应变的不均匀性导致了PL能量在沟道边缘出现蓝移，表明MoS?的电子能带结构在应变作用下发生了改变。

进一步的分析显示，MoS?的源漏电极附近的应变变化与金属沉积过程中的界面反应密切相关。特别是Ni/Au电极的沉积可能引起局部的结构变化，从而导致MoS?的应变分布不均。这种应变变化不仅影响了MoS?的电子结构，还对晶体管的电流注入机制产生了影响。研究者们通过KPFM（开尔文探针力显微镜）测量了MoS?沟道区域的表面电势分布，并发现其在沟道中心与边缘之间存在显著差异。结合拉曼和PL光谱的分析，研究进一步揭示了沟道中应变和掺杂的横向不均匀性，这对于理解MoS?晶体管的性能具有重要意义。

在器件性能方面，研究展示了MoS?晶体管的优异特性，包括非常高的I_on/I_off比值（>10?）和正常关断的电学行为（即在V_G = 0 V时，沟道完全耗尽）。这些特性使得MoS?晶体管在低功耗应用中具有极大的吸引力。此外，研究还通过温度依赖的FET转移特性分析，揭示了在V_G = 0 V时，Ni/Au电极与MoS?沟道之间的有效肖特基势垒Φ_B,FB = 0.21 eV。这一势垒的降低意味着在沟道中更容易实现电子的注入，从而改善晶体管的导通性能。

进一步的分析表明，MoS?沟道中应变的不均匀性对电子的有效质量（m_eff）和载流子迁移率（μ）产生了显著影响。研究者们通过理论计算和实验数据的对比，发现当应变增加时，MoS?的有效质量会减小，从而提高载流子迁移率。然而，在沟道边缘区域，由于应变的减少，有效质量略有增加，导致迁移率略有下降。这种现象在纳米尺度的器件中可能更为显著，因为应变分布的不均匀性会直接影响载流子的输运行为。

此外，研究还讨论了金属沉积对MoS?沟道中应变分布和载流子注入机制的影响。通过微拉曼和PL光谱的分析，研究者们发现，随着应变的变化，MoS?的能带结构也会发生改变。这种改变可能影响晶体管的阈值电压和电流注入效率。因此，对于未来的小尺寸MoS?晶体管，应变的均匀性将成为设计和性能优化的关键因素。

总的来说，这项研究通过多尺度的分析方法，揭示了MoS?在生长和器件制备过程中应变分布的不均匀性，并探讨了这种不均匀性对晶体管性能的影响。研究结果不仅为MoS?晶体管的优化提供了理论依据，也为未来基于二维材料的器件设计和制造工艺提供了重要的参考。此外，研究还强调了在纳米尺度器件中，应变的均匀性将变得更加关键，这将直接影响器件的性能表现和可扩展性。