宽禁带二维材料范德华异质结调控二硫化钼晶体管界面性能研究

In recent years, two-dimensional materials devices, such as high-performance MoS2 transistors, have been regarded as the next-generation electronics and then become the new hotpot. Meanwhile, improving the performance of electrode/MoS2 interface without deteriorating the properties of MoS2 channel is the difficulty of realizing high-performance MoS2 transistors. Motivated by these, this project proposes to employ defects and wide-band gap two-dimensional material-MoS2 van der Waals heterojunctions to modulate the structures and properties of electrode/MoS2 interface and to maintain the electronic properties of MoS2 channel. Then, Studying the mechanism and change of the contact resistances and Schottky barriers of electrode/MoS2 interfaces and the electronic properties of MoS2 channel influenced by the defects in wide-band gap two-dimensional material-MoS2 van der Waals heterojunctions in detail through the first-principle calculations coupling with experimental methods. In addition, designing the electrode/MoS2 interfaces with low Schottky barriers and contact resistances, and undamaged electronic properties of MoS2 channel by regulating the characteristics of defects of heterojunctions in the electrode/MoS2 contact region and channel region, respectively. This work will lay the foundation for realizing high-performance MoS2 transistors, and will enrich the method of designing and modulating high-performance electrode/MoS2 interfaces. It will hold great promise to accelerate the application of two-dimensional materials transistors in the field of electronic devices.

近年来，以高性能二硫化钼晶体管为代表的二维材料器件被视为下一代电子元器件而成为研究热点。其中改善电极/二硫化钼界面性能，同时不严重损伤二硫化钼沟道性能是实现高性能二硫化钼器件的难点。本项目提出利用缺陷和宽禁带二维材料-二硫化钼界面范德华异质结来调整电极/二硫化钼界面结构和性质，并保持二硫化钼沟道电学性质。采用第一性原理结合实验验证的方法，重点研究宽禁带二维材料-二硫化钼范德华异质结中缺陷对电极/二硫化钼界面电阻和肖特基势垒以及二硫化钼沟道电学性能的影响规律和机理。分别调控异质结中缺陷在界面和沟道区域的状态分布，设计出不损伤二硫化钼电学特性，且具有低肖特基势垒和电阻的电极/二硫化钼界面。这项工作将为实现高性能二硫化钼晶体管奠定基础，并将丰富设计和调控高性能电极/二维材料界面的方法。对于加快二维材料晶体管在电子器件领域实用化进程具有非常重要的科学意义和应用价值。

近年来，以高性能MoS2晶体管为代表的二维材料器件被视为下一代电子元器件而成为研究热点。其中改善电极/ MoS2界面性能，同时不严重损伤MoS2沟道性能是实现高性能MoS2器件的难点。本项目提出利用缺陷和宽禁带二维材料-MoS2范德华异质结来调整电极/ MoS2界面结构和性质，并保持MoS2沟道电学性质。本项目对比研究了不同二维材料-MoS2范德华异质结对电极/MoS2界面肖特基势垒的影响规律，发现厚度薄、亲和势小、离子势大的二维宽禁带BN与MoS2形成范德华异质结可以显著降低电极/MoS2界面的肖特基势垒，同时可以保持MoS2优异的本征电学性质。此外，BN-MoS2范德华异质结位于整个沟道区域时，富电子缺陷（例如N空位，O替换掺杂N等）会增加电极/MoS2界面肖特基势垒，而缺电子缺陷（例如B空位，C掺杂N等）会降低电极/MoS2界面肖特基势垒，而且随着缺陷浓度增大进一步变化。这是因为BN-MoS2范德华异质结中缺陷既可以调控电极/MoS2界面的功函数，同时还会调控MoS2的能级位置。此外，当BN-MoS2范德华异质结只位于电极正下方时，缺陷对电极/MoS2界面的调控规律刚好与上述情况相反。而且对比发现，前者中C掺杂N对电极/MoS2界面肖特基势垒降低最明显，降低至-0.12 eV。这项工作将为实现高性能二硫化钼晶体管奠定基础，并将丰富设计和调控高性能电极/二维材料界面的方法。对于加快二维材料晶体管在电子器件领域实用化进程具有非常重要的科学意义和应用价值。