基于单层MoS2场效应管的介电材料与栅极金属工程：阈值电压调制
材料科学
2025-12-24 v1 应用物理
摘要
基于二维过渡金属硫化物(2D TMD)通道的场效应管( FET)在器件电子学中具有卓越的栅极电荷控制能力，可显著降低静态功耗。高效FET工作于增强模式，要求n型器件具有较小且为正的阈值电压 (Vth)。然而，大多数基于单层MoS2通道的FET器件工作于耗竭模式，因 Underlying介电基片掺杂导致Vth为负。本文识别了MoS2/介电界面关键属性（MoS2沉积于具有高介电常数(k) HfO2、ZrO2和hBN基片上，以及参考材料）实现2D MoS2通道FET增强模式运行的关键因素。我们发现hBN和ZrO2介电基片为MoS2提供低缺陷界面，使其能够有效调制Vth。我们采用光子发光(PL)和同步X射线光电子能谱(XPS)测量，探讨单层MoS2沉积于不同介电材料和不同工作函数(WF)栅极金属上的掺杂水平。我们补充了FET和光谱测量，并对介电材料厚度不同的器件进行电容-电压分析，确认ZrO2器件的Vth调制与栅极金属的WF相关，而HfO2器件则表现出由氧化物/界面缺陷态引起的Vth固定现象。最后，我们实现了基于2D MoS2通道和6 nm ZrO2介电层的FET器件，实现亚阈值摆幅为87 mV/dec，阈值电压为0.1 V。我们的结果为实现2D MoS2基FET器件的增强模式提供了洞见，突出了ZrO2作为可扩展高k介电材料的潜力。
引用
@article{arxiv.2512.20069,
title = {Dielectric and gate metal engineering for threshold voltage modulation in enhancement mode monolayer MoS2 field effect transistors},
author = {Lixin Liu and Han Yan and Leyi Loh and Kamal Kumar Paul and Soumya Sarkar and Deepnarayan Biswas and Tien-Lin Lee and Takashi Taniguchi and Kenji Watanabe and Manish Chhowalla and Yan Wang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2512.20069},
year = {2025}
}