雜質(zhì)對二硫化鉬場效應(yīng)晶體管磁滯效應(yīng)的影響

方佳佳，楊啟志，王 權(quán)

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雜質(zhì)對二硫化鉬場效應(yīng)晶體管磁滯效應(yīng)的影響

方佳佳，楊啟志，王 權(quán)

（江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

二硫化鉬（MoS2）具有優(yōu)異的理化性能，但是磁滯效應(yīng)限制了其在半導(dǎo)體器件上的大量應(yīng)用。研究了化學(xué)氣相沉積法（CVD）生長的MoS2薄膜制備的懸置和非懸置場效應(yīng)晶體管在室溫下（20℃左右）的電學(xué)特性曲線。發(fā)現(xiàn)非懸置場效應(yīng)晶體管和懸置場效應(yīng)晶體管中都存在磁滯現(xiàn)象，但是非懸置場效應(yīng)晶體管的磁滯現(xiàn)象比懸置場效應(yīng)晶體管更強。說明在樣品制備過程中引入的水分子和氧分子等雜質(zhì)吸附在樣品表面和襯底與樣品之間的界面上，這些雜質(zhì)能從溝道材料的導(dǎo)帶中轉(zhuǎn)移電子充當(dāng)載流子導(dǎo)致了磁滯效應(yīng)的發(fā)生。

MoS2；場效應(yīng)晶體管；懸置；非懸置；磁滯；電學(xué)特性曲線

近年來，具有層狀結(jié)構(gòu)的二維材料在下一代納米電子器件應(yīng)用上的潛在可能性使其受到越來越多的重視[1-2]，其中二硫化鉬（MoS2）是具有帶隙的n型半導(dǎo)體層狀材料，帶隙介于1.3~1.8 eV，使其在低功耗、高開關(guān)比電學(xué)及光電器件上的應(yīng)用成為可能[3-5]。然而，由于高比表面積的存在，使得MoS2場效應(yīng)晶體管對環(huán)境變化很敏感。環(huán)境中的氣體分子，如氧分子和水分子等，導(dǎo)致器件有很大的磁滯效應(yīng)存在，造成器件性能的不穩(wěn)定，大大限制了MoS2在場效應(yīng)晶體管上的應(yīng)用。有很多科研人員對造成磁滯的影響因素進行了研究。

Tao等通過顯微納米操作技術(shù)從塊體MoS2中剝離得到多層MoS2樣品，制備成背柵場效應(yīng)晶體管，研究發(fā)現(xiàn)，背柵柵壓從20 V增大到80 V的過程中，和Δ也隨之增大[6]。這是由于隨著背柵柵壓的增大，水分子和氧氣分子中吸附的電子轉(zhuǎn)移到MoS2溝道上，使得溝道上消耗的載流子減少。Late等通過機械剝離法從塊體MoS2中剝離到單層MoS2樣品，制成場效應(yīng)晶體管后發(fā)現(xiàn)磁滯行為是由于在表面吸附的雜質(zhì)導(dǎo)致，并被MoS2光敏感特性放大[7]。Shimazu等[8]從塊體MoS2上機械剝離得到MoS2樣品，制成場效應(yīng)晶體管后發(fā)現(xiàn)空氣中的水分子是導(dǎo)致磁滯的主要因素。Shu等通過機械剝離法得到MoS2樣品，制成懸置及非懸置場效應(yīng)晶體管后研究發(fā)現(xiàn)，在真空條件下的磁滯效應(yīng)與氣體吸附及SiO2襯底無關(guān)，但是會受到柵壓的影響，柵壓的掃描范圍、掃描方向、掃描時間和柵壓施加的歷史都會導(dǎo)致在轉(zhuǎn)移曲線中觀察到磁滯現(xiàn)象[9]。

目前文獻大多針對機械剝離法制備的MoS2樣品進行研究，機械剝離法制備得到的樣品物理質(zhì)量高，然而不能夠合理有效地重復(fù)制備。化學(xué)氣相沉積法（CVD）是一種有效生長高質(zhì)量大面積MoS2薄膜的方法，對于器件的應(yīng)用更具有實際意義[10]。本文采用CVD法生長得到的MoS2薄膜制備的懸置及非懸置場效應(yīng)晶體管作為研究對象，研究了在不同溫度下的磁滯現(xiàn)象，對比分析性能得到了磁滯效應(yīng)的產(chǎn)生原因。本研究有助于提高MoS2場效應(yīng)晶體管器件的性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高性能、低功耗納米級電學(xué)和光電子器件的制作。

1 實驗

1.1 實驗樣品的制備

將0.6 g的S粉，30 mg的MoO3粉末分別放在管式爐中特定位置，MoO3粉末放置在Si/SiO2襯底上并壓成較薄片層。對管式爐充入氮氣作為保護氣體，以20 ℃/min的升溫速度使溫度升高到550 ℃，此時S粉被氣化，再以5 ℃/min的升溫速度使溫度升高到850 ℃并保溫15 min，然后自然冷卻。在襯底上便得到了厚度可達20 μm的二硫化鉬薄膜。然后通過PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）分別轉(zhuǎn)移到帶方孔和不帶方孔的300 nm SiO2/Si襯底上，再用丙酮去除表面的PMMA，酒精、去離子水依次清洗表面，制備得到懸置和非懸置的MoS2場效應(yīng)晶體管。

1.2 光學(xué)顯微鏡圖

制備好的樣品在Olympus顯微鏡下觀察其轉(zhuǎn)移后樣品與電極接觸情況及與帶方孔襯底的接觸情況，并拍攝懸置與非懸置場效應(yīng)晶體管光學(xué)顯微鏡照片作為對比。

1.3 拉曼表征

拉曼光譜測試是MoS2研究中很重要的一部分，拉曼光譜常用來表征樣品表面質(zhì)量及確定樣品層數(shù)。本研究采用拉曼光譜儀（WiTec alpha 300R）對制備的場效應(yīng)晶體管樣品進行了拉曼表征，激發(fā)波長選用532 nm的激光，功率在2 mW之下，以避免激光表征過程中對樣品帶來的不必要的損傷，得到懸置和非懸置場效應(yīng)晶體管上選取點的拉曼光譜。

1.4 電學(xué)性能測試

MoS2場效應(yīng)晶體管磁滯性能的研究主要使用探針臺測試其電學(xué)性能。本文采用Cascade半自動探針臺和半導(dǎo)體參數(shù)分析儀Keysight B1500對兩種樣品及不同條件下樣品進行電學(xué)性能測試，主要對懸置和非懸置樣品在不同溫度、不同背柵電壓條件下分別測試其轉(zhuǎn)移特性曲線。通過對磁滯性質(zhì)的差異進行比較，研究MoS2場效應(yīng)晶體管磁滯的影響因素。

2 實驗結(jié)果及分析

懸置和非懸置場效應(yīng)晶體管的光學(xué)顯微鏡圖像如圖1所示。為了研究MoS2樣品質(zhì)量及層數(shù)，對兩種不同的場效應(yīng)晶體管上的MoS2樣品進行Raman表征，圖1中標(biāo)示的三個點的Raman光譜表征結(jié)果如圖2所示。A1g模式與硫原子面外的振動模式有關(guān)，而E12g模式與鉬原子和硫原子面內(nèi)振動模式有關(guān)[11]。此外，A1g和E12g兩峰位之間的差Δ與樣品層數(shù)密切相關(guān)，能夠用來確定MoS2材料的厚度[12]。從圖2中可以看出三點的Δ值都在19.0~19.5 cm–1，說明MoS2是很好的單層材料。

（a）非懸置場效應(yīng)晶體管

（b）懸置場效應(yīng)晶體管

圖1 非懸置和懸置場效應(yīng)晶體管的光學(xué)顯微鏡圖像

Fig.1 The optical microscope images of supported and suspended FETs

圖2 不同位置處MoS2場效應(yīng)晶體管拉曼光譜，a，b，c三條曲線分別對應(yīng)圖1中標(biāo)注的a，b，c三點，圖中a曲線的E12g峰的峰位為386.2 cm–1，A1g峰的峰位為405.3 cm–1，b和c曲線的E12g峰的峰位為386.4 cm–1，A1g峰的峰位為405.4 cm–1

非懸置場效應(yīng)晶體管在室溫下（20℃）不同柵壓下輸出特性曲線如圖3（a）所示，在偏壓高達40 mV的條件下輸出曲線中源漏電流與源漏電壓之間表現(xiàn)出很好的線性關(guān)系，說明MoS2材料和金電極之間的接觸是良好的歐姆接觸。非懸置場效應(yīng)晶體管在不同源漏電壓下轉(zhuǎn)移特性曲線如圖3（b）所示，其中源漏電壓分別為100，300，500和800 mV。背柵柵壓從–10 V到10 V為正向掃描，從10 V到–10 V為反向掃描。在四條曲線中都出現(xiàn)了很大程度的磁滯現(xiàn)象，可以通過電壓偏移Δ來衡量。Δ是轉(zhuǎn)移曲線中正向掃描和反向掃描曲線中最大的偏移電壓。從圖3中可以看出在背柵電壓從100 mV增大到800 mV的過程中Δ也有很明顯的增大，說明背柵柵壓對磁滯效應(yīng)的大小產(chǎn)生會有影響。

（a）不同背柵柵壓下非懸置場效應(yīng)晶體管輸出特性曲線

（b）不同源漏電壓下非懸置場效應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線

圖3 非懸置場效應(yīng)晶體管室溫下（20℃）電學(xué)特性曲線

Fig.3 Electrical characteristic curves of supported FET at room temperature (20℃)

圖4（a）和（b）是懸置場效應(yīng)晶體管在不同背柵柵壓下的輸出特性曲線和在不同源漏電壓下的轉(zhuǎn)移特性曲線，從中可以觀察到與非懸置場效應(yīng)晶體管相同的結(jié)果，在偏壓達到40 mV條件下輸出曲線中源漏電流與源漏電壓之間表現(xiàn)出很好的線性關(guān)系，在不同源漏電壓下轉(zhuǎn)移曲線都存在較為明顯的磁滯現(xiàn)象。說明雖然背柵柵壓的大小會影響磁滯的強弱程度，但背柵柵壓不是產(chǎn)生磁滯的根本原因。從非懸置與懸置場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移曲線中可以得到電壓偏移量Δ，將兩器件的Δ對比分析如圖5所示，從圖中可以看出在相同的源漏電壓下非懸置場效應(yīng)晶體管的磁滯現(xiàn)象比懸置器件的要強。這是由于在樣品制作過程中，與空氣接觸使得大量水分子和氧分子等雜質(zhì)吸附在樣品表面，在施加?xùn)艍汉箅s質(zhì)中的電子充當(dāng)電荷載流子轉(zhuǎn)移到溝道材料中，導(dǎo)致磁滯現(xiàn)象的發(fā)生。在不同柵壓下其電荷轉(zhuǎn)移能力不同，所以背柵柵壓會對磁滯現(xiàn)象的強弱有影響。非懸置場效應(yīng)晶體管中薄膜材料下底面與襯底接觸，襯底表面質(zhì)量與潔凈程度也會對磁滯現(xiàn)象的強弱產(chǎn)生影響，所以在相同源漏電壓下，非懸置場效應(yīng)晶體管的磁滯現(xiàn)象比懸置場效應(yīng)晶體管的磁滯現(xiàn)象要強。

（a）不同背柵柵壓下懸置場效應(yīng)晶體管輸出特性曲線

（b）不同源漏電壓下懸置場效應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線

圖4 懸置場效應(yīng)晶體管室溫下（20℃）電學(xué)特性曲線

Fig.4 The electrical characteristic curves of suspended FETs at room temperature (20℃)

圖5 不同源漏電壓下非懸置場效應(yīng)晶體管及懸置場效應(yīng)晶體管電壓偏移ΔV對比圖

3 結(jié)論

為了研究場效應(yīng)晶體管中磁滯效應(yīng)產(chǎn)生的原因，采用了一種新的方法制備了基于MoS2的懸置和非懸置場效應(yīng)晶體管，對其電學(xué)性能曲線進行測試發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移特性曲線中隨著源漏電流的增大，磁滯現(xiàn)象稍有增加，表明源漏電流會影響磁滯現(xiàn)象，但不是磁滯現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。樣品在制備過程中會引入大量水分子及氧分子等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會從溝道材料的導(dǎo)帶中轉(zhuǎn)移電荷載流子導(dǎo)致磁滯現(xiàn)象的產(chǎn)生，這是磁滯現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因。所以通過PMMA或其他材料將樣品表面包裹起來避免與空氣環(huán)境接觸能有效減少磁滯現(xiàn)象的發(fā)生。本研究對MoS2場效應(yīng)晶體管性能有很大的提高，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能低功耗的納米級電學(xué)和光電器件的制作。

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（編輯：陳豐）

Effect of impurities on hysteresis of MoS2field-effect transistors

FANG Jiajia, YANG Qizhi, WANG Quan

(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu Province, China)

Molybdenum disulfide (MoS2) has promising characteristics as semiconductor devices, but the large hysteresis observed in transfer characteristic curves limites its application in field effect transistors (FETs). The electrical characteristic curves of supported and suspended devices with MoS2films prepared by chemical vapor deposition method were measured at room temperature (20℃). The hysteresis appeares both in supported device and suspended device, but the hysteresis in supported device is more obvious than that of suspended device. The results suggest that, the adsorption of oxygen and water molecular on the surface of MoS2plays a crucial role in leading to the hysteresis, since the adsorbed molecular can capture charge carriers from the conduction band of the MoS2channel.

MoS2; field-effect transistor; suspended; supported; hysteresis; electrical characteristic curve

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.010

TN386

A

1001-2028（2017）04-0052-04

2017-02-27

王權(quán)

國家自然科學(xué)基金資助項目（No. 51675246）；鎮(zhèn)江市工業(yè)支撐項目（No. GY2016014）

王權(quán)（1973－），男，江蘇句容人，教授，博士，主要從事新型二維材料器件研究，E-mail: wangq@mail.ujs.edu.cn；方佳佳（1992－），男，河南信陽人，研究生，主要從事新型二維材料器件研究。

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2017-04-11 10:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.010.html