六方氮化硼上生長碲納米帶及其在超高遷移率p型晶體管中的應用

1. 以具有原子級平整度的六方氮化硼(h-BN)納米片作為化學氣相沉積(CVD)系統(tǒng)中的生長襯底，制備出高質(zhì)量的單晶Te納米帶。

2. 基于h-BN襯底上生長的Te納米帶的場效應晶體管(FET)在室溫下表現(xiàn)出高達 1370 cm2 V?1s?1的超高空穴遷移率，遠大于其他大多數(shù)的范德華材料。

本文采用CVD的方法制備Te納米帶，其生長示意圖如圖1(a)所示，使用二氧化碲(TeO?)粉末作為生長源，在常壓下通入氫/氬(H?/Ar)混合氣作為運載氣體和反應氣體。當生長源加熱到~750℃時，TeO?被H?還原，并在H?/Ar混合運載氣體的傳輸下到達生長襯底，最終將在覆蓋有h-BN納米片的硅片上生長得到長度為幾十微米(μm)、寬度為幾微米的單晶Te納米帶，其形狀為長條狀的矩形或梯形，其形貌與水熱法制備的Te樣品一致，如圖1(c)所示。圖1(b)展示了h-BN襯底上Te納米帶的晶體結(jié)構(gòu)的俯視圖。與其他通過CVD和物理氣相沉積(PVD)方法生長的超薄Te納米片垂直于生長襯底不同，我們制備的Te晶體的c軸平行于h-BN納米片的表面。在我們的生長策略中引入h-BN納米片可以為Te納米帶的生長提供具有原子級平整度的表面，并減少表面缺陷態(tài)，從而合成高質(zhì)量的Te納米帶。合成的Te納米帶的厚度在30 nm至70 nm范圍內(nèi)，生長得到的Te納米帶樣品的厚度分布非常均勻，其表面也非常干凈，而通過水熱法制備的Te樣品表面明顯有雜質(zhì)存在。除了制備Te納米帶，我們還可以通過調(diào)整基板與加熱區(qū)的距離來控制基板溫度來合成 Te 納米線。由于沿著Te [001]晶向的表面能最低，這意味著沿c軸(即[001]取向)的生長速率最快。在較低的生長溫度時，c軸比其他晶向的生長速率快很多，從而產(chǎn)生了Te納米線；在較高的生長溫度時，[100]和[10]晶向反應的能量變得更高，生長速率與沿c軸的生長速率差距減小，因此也出現(xiàn)了矩形和梯形形狀的Te納米帶。Te晶體隨溫度變化的生長行為使得我們在今后的合成策略中可以實現(xiàn)對其形貌的控制。

II Te納米帶的結(jié)構(gòu)表征

III 全局底柵結(jié)構(gòu)Te FET的電學性能

具有原子級平整度表面的范德華材料h-BN為高質(zhì)量單晶Te納米帶的生長提供了理想的平臺。此外，由于h-BN納米薄片表面沒有懸掛鍵和電荷陷阱，將其用作介電層將會減小溝道和界面的雜質(zhì)散射。為了研究Te納米帶的電傳輸特性，我們首先直接在h-BN襯底上生長的Te納米帶上制備了具有全局底柵結(jié)構(gòu)的FET，器件結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。為了降低接觸電阻，選用較高功函數(shù)的的金作為接觸電極。圖3(b)是一個典型器件的光學照片，其中溝道Te納米帶的厚度為30 nm。該器件的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線如圖3(c)和(d)所示。從圖3(c)可以看出，在不同的柵電壓下，源漏電流Id隨偏壓Vd呈現(xiàn)線性變化，說明Au電極和溝道Te之間為歐姆接觸。從圖3(d)中的轉(zhuǎn)移特性曲線可以看出，Te納米帶呈現(xiàn)出以p型為主的輕微雙極性行為，這表明CVD合成的Te納米帶樣品具有很好的晶體質(zhì)量。受限于我們的Te納米帶的厚度，其帶隙大約為0.3 eV，晶體管的開/關(guān)比僅有~102，這是由于柵極靜電場無法對較厚溝道的Te進行有效控制。通過以下公式計算Te FET的場效應遷移率：μFE=(gm×L)/(W×Cg×Vds)，其中gm，L，W和Cg和分別表示跨導、溝道長度、溝道寬度和h-BN/SiO?的電容。根據(jù)偏壓在10 mV下的轉(zhuǎn)移特性曲線計算，從圖3(f)中得到Te FET在室溫下的空穴遷移率峰值為1370 cm2 V?1s?1。該值高于黑磷FET在室溫下的場效應空穴遷移率(~1000 cm2 V?1s?1)。我們總結(jié)了典型范德華半導體在室溫下的場效應遷移率，包括溶液法合成的Te、bP、二硒化鎢 (WSe?)、二硒化鉑(PtSe?)、二硫化鉬(MoS?)和二硫化錸(ReS?)。可以看出，我們的器件的空穴遷移率是p型范德華半導體中最高的，也遠高于過渡金屬硫族化合物。此外，Te FET在空氣中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，暴露空氣中一周后同一器件的電學性能沒有發(fā)生明顯變化。這可以彌補bP空氣中不穩(wěn)定性質(zhì)的缺點，為p型范德華半導體材料提供了一種新的選擇。

IV 局部底柵結(jié)構(gòu)Te FET的電學性能

圖4. (a) h-BN作為介電層的局部底柵Te FET截面示意圖。(b) Te FET的輸出曲線，插圖為局部底柵結(jié)構(gòu)的Te FET的光學圖像。(c) 室溫下Te FET器件在不同偏壓下的輸出曲線。(d)從圖(c)中Vd=10 mV的偏壓下的轉(zhuǎn)移曲線中提取的Te晶體管的場效應遷移率。