01 全文速覽

通過打印或者印刷二維 （2D）半導(dǎo)體納米片溶液可實現(xiàn)低成本電子器件集成。該工作通過溴分子摻雜WSe2 晶體管，實現(xiàn)高性能P型二維材料薄膜晶體管，其空穴遷移率達(dá)到27 cm2 V-1 s-1，且具有~107 的高開/關(guān)比。此外，基于溶液法制備的p型WSe2 和n型MoS2的互補(bǔ)反相器（CMOS）展現(xiàn)出1280的超高增益。

02 背景介紹

近年來，二維層狀材料因其出色的電學(xué)和機(jī)械性能，在柔性和可穿戴集成器件領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。特別是，各種二維材料的單晶納米片可以分散在溶液中，形成n型和p型的半導(dǎo)體油墨，進(jìn)而通過高可加工性和低成本的圖形印刷技術(shù)實現(xiàn)互補(bǔ)電路。溶液法制備的n型 MoS2薄膜晶體管已經(jīng)實現(xiàn)了高電子遷移率（超過10 cm2 V-1 s-1）和開/關(guān)比（大約 106）。具有高遷移率的 P 型二維層狀材料，例如黑磷，由于其低化學(xué)穩(wěn)定性和低氧化勢壘，不適用于溶液工藝。而化學(xué)穩(wěn)定的材料，包括各種過渡金屬二硫化物，其溶液法制備P型薄膜晶體管表現(xiàn)出低遷移率（約0.1 cm2 V-1 s-1）和較小的開/關(guān)比（102 - 105），從而限制了大規(guī)模、溶液加工的互補(bǔ)邏輯電路和高性能 p-n 異質(zhì)結(jié)器件的發(fā)展。

不同于機(jī)械剝離或者CVD制備的單片二維晶體管，溶液法制備的二維薄膜晶體管的溝道是基于許多單個薄片組裝而形成的連續(xù)的薄膜。研究發(fā)現(xiàn)納米片與納米片界面的電阻值相對納米片內(nèi)的電阻更高。此外，二維薄膜/金屬處的高肖特基勢壘也阻礙載流子注入，導(dǎo)致較高的接觸電阻。因而，相對于P型單片二維材料晶體管，溶液法制備的P型二維薄膜晶體管的器件優(yōu)化難度更大。

03 本文亮點

在本項工作中，我們通過摻雜Br2分子來提高溶液法制備的過渡金屬硫族化合物p型晶體管的性能。

（1）Br2 摻雜的 WSe2 晶體管表現(xiàn)出 27 cm2 V-1 s-1 的場效應(yīng)遷移率，同時具有接近零伏的閾值電壓和超過 107 的電流開/關(guān)比。

（2）密度泛函理論 （DFT） 計算表明，Br2 分子可以物理吸附在WSe2表面上，覆蓋率高達(dá) 》1/4，并且在最高價帶附近引入淺受體態(tài)，來實現(xiàn)P型摻雜。

（3）Br2 摻雜可以有效降低肖特基勢壘和提高半導(dǎo)體溝道電荷傳輸。

（4）此外，Br2分子摻雜的 WSe2 薄膜晶體管表現(xiàn)出出色的開關(guān)循環(huán)和應(yīng)力測試穩(wěn)定性。

（5）最后，溶液法制備的 p-WSe2 和 n-MoS2 CMOS 反相器的增益超過1200。

基于其CMOS的環(huán)形振蕩器也表現(xiàn)出1kHz的穩(wěn)定振蕩頻率。

04 圖文解析

▲圖1. 2D TMDs溶液和大面積圖案化薄膜。

本文使用的不同過渡金屬硫族化合物半導(dǎo)體納米片的油墨是通過使用電化學(xué)剝離、超聲、清洗、及離心過程制備。溶液法制備的WSe2 納米片尺寸約為 800 nm，厚度約為2.5 nm。通過滴涂法，并結(jié)合光刻膠剝離工藝可以在二氧化硅、玻璃、以及PEN柔性襯底上形成致密的圖形化的半導(dǎo)體薄膜。

▲圖 2. 溶液法制備的 WSe2 晶體管的電學(xué)特性。

未處理的WSe2 晶體管的表現(xiàn)出典型的n型主導(dǎo)的雙極特性，且具有較低的空穴遷移率，約為 10-3 cm2 V-1 s-1。在嘗試了各種P型摻雜分子后，我們發(fā)現(xiàn)Br2分子是最有效的摻雜材料。經(jīng)過Br2分子處理后，實現(xiàn)了27 cm2 V-1 s-1 的場效應(yīng)空穴遷移率，同時具有接近零伏的閾值電壓和超過 107 的電流開/關(guān)比?？昭ㄟw移率增加的主要原因有兩個：第一個是由于 Br2 摻雜降低了接觸電阻，第二個是由于 Br2 摻雜改善了溝道中的電荷傳輸界面處的電阻。同時，我們發(fā)現(xiàn)針對二維薄膜晶體管選擇摻雜劑時，摻雜材料的分子大小也至關(guān)重要。此外，Br2分子處理過的P型WSe2晶體管也表現(xiàn)出較好的快速開關(guān)、連續(xù)測試及應(yīng)力測試穩(wěn)定性。

▲圖 3. 光電子能譜和 DFT 計算結(jié)果。

通過XPS和UPS光電子能譜，以及DFT計算，我們也分析了Br2分子P型摻雜的機(jī)理。XPS結(jié)果顯示在 Br2 處理后，W4f 和 Se3d 的結(jié)合能下移了約0.30 eV。UPS結(jié)果也顯示費米能級從-3.87 eV向下移動到-4.88 eV。通過DFT計算，我們比較了WSe2和 Br2/WSe2 前后電子結(jié)構(gòu)。我們發(fā)現(xiàn)在Br2分子吸附在WSe2表面后，最高價帶附近可以引入淺受體態(tài)，從而實現(xiàn)P型摻雜。該淺受體態(tài)主要來源于 Br2 σp* 反鍵分子軌道態(tài)。

▲圖 4. 溶液處理的 CMOS 反相器和環(huán)形振蕩器。

最后，我們采用基于剝離的圖案化方法制備了由 p-WSe2 和 n-MoS2 薄膜晶體管組成的 CMOS 反相器及環(huán)形振蕩器。通過控制溝道寬度將 p-WSe2 和 n-MoS2薄膜晶體管的漏極電流調(diào)整到相同水平，從而獲得高增益。結(jié)果表明在7V的驅(qū)動電壓下，可以實現(xiàn)1280的超高增益。進(jìn)一步，基于其CMOS的環(huán)形振蕩器也表現(xiàn)出1kHz的穩(wěn)定振蕩頻率。

05 總結(jié)與展望

總而言之，本工作通過使用鹵化物分子的p型摻雜，可以實現(xiàn)了具有高可靠性和可重復(fù)性的高性能p型二維 WSe2 薄膜晶體管。Br2 摻雜的 WSe2 晶體管表現(xiàn)出出色的工作穩(wěn)定性，包括快速開關(guān)、循環(huán)測試和應(yīng)力測試。本工作進(jìn)一步證實溶液法制備的二維材料集成器件具有優(yōu)異的性能。同時，由于其低成本和易加工性，可以進(jìn)一步擴(kuò)展至可穿戴生物傳感器和 Si CMOS 上的集成電路等應(yīng)用領(lǐng)域。

審核編輯 ：李倩