六方氮化硼上生长碲纳米带及其在超高迁移率p型晶体管中的应用

范德华层状材料由于表面不存在悬挂键及其优越的电学特性,在制造下一代先进的单片集成电路方面具有很好的应用前景。互补金属氧化物半导体(CMOS)作为单片集成电路中的基本单元,是最重要的架构之一,p型场效应晶体管(FET)和n型FET的开发具有举足轻重的研究价值。目前已有许多二维半导体材料可用于制备n型FET,迫切需要开发p型互补结构。碲(Te)作为一种新型的p型范德华半导体,具有准一维的螺旋链状结构,每条链内的原子通过强烈的共价键结合,这些链通过范德华力排列成六边形结构。其载流子输运和热量扩散都被限制在原子级尺度的链内,可以有效地抑制短沟道效应,并有望实现低功耗电子器件。本文介绍了一种化学气相沉积(CVD)的方法在具有原子级平整度的六方氮化硼(h-BN)衬底上生长高质量的Te纳米带,由于h-BN表面无悬挂键和电荷散射中心,不仅为Te的生长提供了理想的平台,而且减小了基于h-BN衬底的碲FET的界面杂质散射,Te在室温下呈现1370 cm² V⁻¹s⁻¹的场效应空穴迁移率,为目前文献报道中的最高纪录。
Growth of Tellurium Nanobelts on h-BN for p-type Transistors with Ultrahigh Hole Mobility

Peng Yang, Jiajia Zha*, Guoyun Gao, Long Zheng, Haoxin Huang, Yunpeng Xia, Songcen Xu, Tengfei Xiong, Zhuomin Zhang, Zhengbao Yang, Ye Chen, Dong-Keun Ki, Juin J. Liou, Wugang Liao*, Chaoliang Tan*

Nano-Micro Letters (2022)14: 109

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00852-2

本文亮点

1. 以具有原子级平整度的六方氮化硼(h-BN)纳米片作为化学气相沉积(CVD)系统中的生长衬底,制备出高质量的单晶Te纳米带

2. 基于h-BN衬底上生长的Te纳米带的场效应晶体管(FET)在室温下表现出高达 1370 cm² V⁻¹s⁻¹的超高空穴迁移率,远大于其他大多数的范德华材料。

内容简介

高迁移率的p型范德华半导体对于低维材料在下一代电子设备的开发应用非常有吸引力。尽管黑磷和Te都呈现出可观的空穴迁移率,但黑磷的不稳定性和Te相对较低的空穴迁移率仍是他们走向应用所面临的一大重要挑战。为了进一步提高Te的迁移率,香港城市大学谭超良助理教授团队和深圳大学廖武刚助理教授团队提出采用CVD的方法在具有原子级平整度的h-BN衬底上生长高质量的Te纳米带,其在室温下呈现出可达1370 cm² V⁻¹s⁻¹的超高迁移率,这可能为未来制备基于二维材料的高性能p型FET和p型金属氧化物半导体(p-MOS)反相器奠定基础。H-BN作为一种范德华材料衬底不仅为高质量Te纳米带的生长提供了无悬挂键的超平表面,而且还减小了沟道材料Te和介电层的界面散射,从而使得Te表现出超高的空穴迁移率。
图文导读

Te纳米带的CVD生长制备

本文采用CVD的方法制备Te纳米带,其生长示意图如图1(a)所示,使用二氧化碲(TeO₂)粉末作为生长源,在常压下通入氢/氩(H₂/Ar)混合气作为运载气体和反应气体。当生长源加热到~750℃时,TeO₂被H₂还原,并在H₂/Ar混合运载气体的传输下到达生长衬底,最终将在覆盖有h-BN纳米片的硅片上生长得到长度为几十微米(μm)、宽度为几微米的单晶Te纳米带,其形状为长条状的矩形或梯形,其形貌与水热法制备的Te样品一致,如图1(c)所示。图1(b)展示了h-BN衬底上Te纳米带的晶体结构的俯视图。与其他通过CVD和物理气相沉积(PVD)方法生长的超薄Te纳米片垂直于生长衬底不同,我们制备的Te晶体的c轴平行于h-BN纳米片的表面。在我们的生长策略中引入h-BN纳米片可以为Te纳米带的生长提供具有原子级平整度的表面,并减少表面缺陷态,从而合成高质量的Te纳米带。合成的Te纳米带的厚度在30 nm至70 nm范围内,生长得到的Te纳米带样品的厚度分布非常均匀,其表面也非常干净,而通过水热法制备的Te样品表面明显有杂质存在。除了制备Te纳米带,我们还可以通过调整基板与加热区的距离来控制基板温度来合成 Te 纳米线。由于沿着Te [001]晶向的表面能最低,这意味着沿c轴(即[001]取向)的生长速率最快。在较低的生长温度时,c轴比其他晶向的生长速率快很多,从而产生了Te纳米线;在较高的生长温度时,[100]和[10]晶向反应的能量变得更高,生长速率与沿c轴的生长速率差距减小,因此也出现了矩形和梯形形状的Te纳米带。Te晶体随温度变化的生长行为使得我们在今后的合成策略中可以实现对其形貌的控制。

图1. (a) Te纳米带的CVD生长示意图。(b) Te/h-BN的晶体结构俯视图。(c) h-BN上生长的Te纳米带的典型光学照片。(d) 厚度为59 nm的Te纳米带的原子力显微镜(AFM)图像,插图显示了Te样品的厚度。

II Te纳米带的结构表征

通过角分辨拉曼光谱分析了厚度约为30 nm的Te纳米带晶体结构的各向异性。图2(a)为不同角度入射偏振光下Te纳米带拉曼光谱,从图中可以看出Te纳米带在91 cm⁻¹ (E₁-TO横向声子模)、120 cm⁻¹ (A₁模)和140 cm⁻¹ (E₂模)处有3特征个拉曼峰,这些峰位信息与其他文章报道的较厚Te样品的拉曼峰位一致。通过以每15°的角度旋转Te纳米带,我们观察到其拉曼峰位置几乎没有变化,但是峰强度发生了明显的变化。我们提取了E₁-TO和A₁模的峰强度并通过正弦函数拟合,并将其展现在极坐标中(图2b和2c),可以发现这些峰位的强度随着旋转角度呈现周期性变化。其中E₁-TO和A₁模均在90°和270°角度处显示最大强度。考虑到0°表示所用激光的偏振方向平行于Te纳米带的长轴,这就说明螺旋链也是沿着样品的长轴方向。为了进一步确定Te纳米带的晶体结构,我们采用了高分辨透射电子显微镜(HRTEM)对Te/h-BN的晶格结构进行分析,测量结果如图2(d–f)所示。图 2(d)是h-BN区域的HRTEM图像,其完美的六方晶格证明了所使用的h-BN衬底具有很好的晶体质量,为高质量Te纳米带的生长提供了理想的平台。图2(e)为在h-BN上生长的Te纳米带的边缘,连续的晶格证明了所合成的Te纳米带具有较高的质量。图2(f)作为图2(e)中堆叠在h-BN上的Te纳米带的放大区域,我们测得的Te纳米带的晶格常数为0.2 nm,与水热法合成的Te纳米片一致。
图2. (a) 厚度为30 nm的Te纳米带样品的角分辨拉曼光谱,其中的角度为Te样品c轴方向和入射激光偏振方向之间的夹角。(b, c) 位于91 cm⁻¹的E₁-TO模(b)和位于120 cm⁻¹的A₁模(c)的拉曼峰强度随角度变化的极坐标图。(d–f) 在h-BN上生长的Te纳米带的HRTEM图像;(d) 只含有h-BN区域,(e) h-BN上的Te纳米带边缘区域,图(f)是从图(e)中选取区域的局部放大。

III 全局底栅结构Te FET的电学性能

具有原子级平整度表面的范德华材料h-BN为高质量单晶Te纳米带的生长提供了理想的平台。此外,由于h-BN纳米薄片表面没有悬挂键和电荷陷阱,将其用作介电层将会减小沟道和界面的杂质散射。为了研究Te纳米带的电传输特性,我们首先直接在h-BN衬底上生长的Te纳米带上制备了具有全局底栅结构的FET,器件结构如图3(a)所示。为了降低接触电阻,选用较高功函数的的金作为接触电极。图3(b)是一个典型器件的光学照片,其中沟道Te纳米带的厚度为30 nm。该器件的输出和转移特性曲线如图3(c)和(d)所示。从图3(c)可以看出,在不同的栅电压下,源漏电流Id随偏压Vd呈现线性变化,说明Au电极和沟道Te之间为欧姆接触。从图3(d)中的转移特性曲线可以看出,Te纳米带呈现出以p型为主的轻微双极性行为,这表明CVD合成的Te纳米带样品具有很好的晶体质量。受限于我们的Te纳米带的厚度,其带隙大约为0.3 eV,晶体管的开/关比仅有~10²,这是由于栅极静电场无法对较厚沟道的Te进行有效控制。通过以下公式计算Te FET的场效应迁移率:μFE=(gm×L)/(W×Cg×Vds),其中gmLWCg和分别表示跨导、沟道长度、沟道宽度和h-BN/SiO₂的电容。根据偏压在10 mV下的转移特性曲线计算,从图3(f)中得到Te FET在室温下的空穴迁移率峰值为1370 cm² V⁻¹s⁻¹。该值高于黑磷FET在室温下的场效应空穴迁移率(~1000 cm² V⁻¹s⁻¹)。我们总结了典型范德华半导体在室温下的场效应迁移率,包括溶液法合成的Te、bP、二硒化钨 (WSe₂)、二硒化铂(PtSe₂)、二硫化钼(MoS₂)和二硫化铼(ReS₂)。可以看出,我们的器件的空穴迁移率是p型范德华半导体中最高的,也远高于过渡金属硫族化合物。此外,Te FET在空气中表现出良好的稳定性,暴露空气中一周后同一器件的电学性能没有发生明显变化。这可以弥补bP空气中不稳定性质的缺点,为p型范德华半导体材料提供了一种新的选择。

图3. (a) h-BN/SiO₂/Si衬底上的全局底栅Te FET截面示意图。(b) h-BN/SiO₂/Si上Te FET的光学照片。(c, d) 在室温下测量的Te FET的输出(c)和转移(d)曲线。(e) Te晶体管的场效应迁移率,从图(d)中Vd=10 mV的偏压下的转移曲线中提取得到的。(f) Te晶体与文献报道中其他范德华材料在室温下的场效应迁移率总结(参考文献见原文)。

IV 局部底栅结构Te FET的电学性能

最后,我们展示了在局部底栅结构Te FET。与全局底栅结构相比,局部底栅更容易实现对器件的控制,进而用于构建逻辑门和电路。通过湿法转移将含有Te/h-BN的样品从SiO₂/Si衬底上一起转移到提前制备的局部底栅上,这种转移方法可以保护Te纳米带和h-BN介电层之间的底部界面免受污染。图4(a)为局部底栅结构Te FET器件示意图,典型器件的光学照片如图4(b)中的插图所示,所选Te纳米带的厚度为30 nm。器件经测试其输出曲线如图4(b)所示,不同栅极电压下Id–Vd的呈现出的线性关系表明Au电极和Te实现了欧姆接触。图4(c)为该器件在室温下测得的输出特性曲线,与具有相同厚度的沟道材料的全局顶栅结构Te FET相比,该器件在10 mV的偏压下显示出更大的开/关比,可达460,较大的开/关比表明在局部栅极结构中栅压对沟道材料的具有更好的控制能力。我们提取了在10 mV偏压下器件的场效应迁移率,如图4(d)所示,其数值仅为全局底栅结构Te FET中计算值的一半,可能是由于湿转移法中不可避免的杂质污染引起更多散射中心。未来的复杂逻辑门甚至电路可以通过在这种局部底栅结构Te FET进行设计和构建。

图4. (a) h-BN作为介电层的局部底栅Te FET截面示意图。(b) Te FET的输出曲线,插图为局部底栅结构的Te FET的光学图像。(c) 室温下Te FET器件在不同偏压下的输出曲线。(d)从图(c)中Vd=10 mV的偏压下的转移曲线中提取的Te晶体管的场效应迁移率。

作者简介

杨鹏
本文第一作者
深圳大学电子与信息工程学院博士后
香港城市大学访问学者
主要研究领域

二维半导体材料的生长制备与器件应用。

廖武刚
本文通讯作者
深圳大学 助理教授
主要研究领域

新一代半导体器件与应用研究。

个人简介

深圳大学电子与信息工程学院助理教授、特聘副研究员,深圳市孔雀计划海外高层次人才。主持了国家自然科学基金项目、深圳市海外高层次人才项目等,并作为主要科研骨干参加和完成了新加坡ASTAR项目、国家自然科学基金项目等。近年来,已在IEEE Electron Device Letters, Applied Physics Letters, Advanced Functional Materials, Advanced Science, InfoMat等国际权威学术期刊上发表论文50多篇;并多次在国际会议进行口头和张贴报告;已获授权国家发明专利5项,申请国家发明专利2项。担任Advanced Functional Materials, ACS Applied Materials & Interfaces, iScience等期刊审稿人,Nanomaterials客座编辑。

Email: wgliao@szu.edu.cn

谭超良
本文通讯作者
香港城市大学 助理教授
主要研究领域

二维碲基纳米材料与器件;纳米生物材料及纳米医学。

个人简介

谭超良博士,香港城市大学电机工程系助理教。博士毕业于新加坡南洋理工大学,博士后工作于加州大学伯克利分校。他长期从事二维纳米材料与器件、二维复合纳米材料及层状纳米生物材料和纳米医学。共发表论文超过130篇,其中第一或通讯作者论文超过40篇,包括Nat. Nanotechnol.、Nat. Rev. Mater.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano-Micro Lett、Small等;总引用超过20500次,个人H因子63。谭教授荣获2021年“国家优秀青年基金(港澳)”,2018-2021年连续4年入选“全球高被引学者”榜单(科睿唯安),2020-2021连续两年获斯坦福大学发表的工程领域“世界前2%科学家”,2021年香港高等研究院“Rising Star Lecturer”和2021年Journal of Materials Chemistry A期刊“新锐科学家”等荣誉;并长期担任Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.等期刊独立审稿人以及《物理化学快报》和《中国化学快报》青年编委。

Email: chaoltan@cityu.edu.hk

个人主页

www.tan-lab-cityu-hk.com/
香港城市大学谭超良教授课题组博士后及博士生招聘

岗 位:博士后及博士生
研究方向:1. 二维材料电子器件与光电器件;2. 生物纳米材料与纳米生物医学
联系人:谭老师  
Emailchaoltan@cityu.edu.hk
详情请见课题组网页:https://www.tan-lab-cityu-hk.com/

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