新興的二維 （2D） 材料與成熟的三維 （3D） 硅基半導(dǎo)體技術(shù)的非均相集成為未來高能效、功能豐富的納米電子器件的發(fā)展提供了一種有前途的方法。在這項(xiàng)研究中，我們設(shè)計(jì)了一種混合維結(jié)結(jié)構(gòu)，其中 2D 單層（例如石墨烯、MoS
2 和 h-BN）夾在金屬（例如鈦、金和鈀）和 3D 半導(dǎo)體（例如，p-Si）之間，以研究僅在面外 （OoP） 方向上的電荷傳輸特性。比較評估了 2D 單層作為 OoP 金屬-半導(dǎo)體電荷注入勢壘或 OoP 半導(dǎo)體-金屬電荷收集勢壘的作用。與單層石墨烯相比，單層 MoS
2 和 h-BN 通過勢壘隧穿效應(yīng)有效調(diào)節(jié) OoP 金屬到半導(dǎo)體的電荷注入。它們的有效 OoP 電阻和電阻率是使用串聯(lián)電阻器模型提取的。有趣的是，當(dāng)用作半導(dǎo)體-金屬電荷收集屏障時(shí)，當(dāng)施加高 OoP 電壓（大于內(nèi)置電壓）時(shí)，所有 2D 單層都變得電子“透明”（接近零電阻）。作為混合尺寸集成二極管，Ti/MoS
2/p-Si 和 Au/MoS
2/p-Si 配置表現(xiàn)出高 OoP 整流比 （5.4 × 10
4） 和電導(dǎo) （1.3 × 10
5 S/m
2）。本研究的工作展示了 2D/3D 界面上的可調(diào) OoP 電荷傳輸特性，表明了 2D/3D 異構(gòu)集成的機(jī)會，即使是低于 1 nm 厚的 2D 單層，也可以增強(qiáng)現(xiàn)代硅基電子設(shè)備。
圖1. M2DS 異質(zhì)結(jié)以 OoP 載流子為主，通過具有各種金屬接觸（即 Ti、Au 和 Pd）的 2D 單層（即 Gr、MoS2 和 h-BN）傳輸。（a） 示意圖、顯微鏡圖像（比例尺：300 μm）和沿 M2DS 垂直堆棧的能帶圖。這里 E
vac、E
F、E
C 和 E
V 分別表示真空的能級、費(fèi)米能、導(dǎo)帶最小值和價(jià)帶最大值。還包括 2D 單層的拉曼光譜（波長：514 nm），其中顯示了每種 2D 材料的特征模式。（b） M2DS 結(jié)的能帶圖說明了 Gr 積分的能量匹配效應(yīng)以及 MoS
2 和 h-BN 積分的勢壘隧穿效應(yīng)。假設(shè)混合金屬接觸，因此不涉及 vdW 間隙。（c） Ti 誘導(dǎo)的雜化金屬與 2D 單層 MoS
2 的接觸示意圖，與 Au 和 Pd 誘導(dǎo)的 vdW 金屬接觸的比較。
圖2. 比較M2DS結(jié)和參考MS結(jié)的不同配置的J–V特性。（a） Ti、Au和Pd接觸M2DS和MS組態(tài)的半對數(shù)J–V特性。在V<0 V時(shí)通過頂部M2DS和MS結(jié)注入空穴，在V>0 V時(shí)通過頂部電極收集空穴。藍(lán)色箭頭指示M2DS結(jié)中采用不同2D單分子膜的調(diào)諧范圍。（b） V<0 V（左）和V<0 V（右）時(shí)，Ti、Au和Pd觸點(diǎn)M2DS和MS配置的對數(shù)J–V特性。歐姆、TFL和SCL傳輸區(qū)由擬合斜率確定。統(tǒng)計(jì)分析基于每種類型的20個(gè)設(shè)備，誤差條表示設(shè)備之間的偏差。
圖3. 利用不同的金屬功函數(shù)和二維單分子膜（a–c）J對通過M2DS和MS結(jié)的空穴收集（V=20 V，頂部）和空穴注入（V=−20 V，底部）的OoP載流子傳輸進(jìn)行操縱，并繪制為金屬功函數(shù)、二維單分子膜帶隙和EOT的函數(shù)。（b，c）中的虛線表示MS參考連接。（d，e）映射J作為金屬功函數(shù)和2D單層帶隙的函數(shù)，揭示了V=20 V時(shí)2D單層的電子透明度和V=−20 V時(shí)的電子不透明度。（f–h）映射各種金屬功函數(shù)、2D單層帶隙和EOT的整流比，以及它們作為施加V（±2 mV、±0.2 V和±20 V）的函數(shù)的演化。
圖4. M2DS結(jié)中2D單分子膜的有效OoP電阻和電阻率。（a） 在M2DS結(jié)中串聯(lián)電阻以提取R
2D的模型。（b，c）對于Ti和Au接觸M2DS配置，提取的R
2D作為V的函數(shù)。實(shí)線和點(diǎn)線分別表示正R
2D和負(fù)R
2D。（d，e）對于Ti-和Au-接觸M2DS配置，提取的ρOoP作為V的函數(shù)。（f，g）比較了提取的ρOoP與單層Gr、MoS
2和h-BN的ρ
IP的一般值，顯示了OoP電荷通過二維單層膜傳輸?shù)膶捳{(diào)諧范圍。
圖5.M2DS結(jié)中的勢壘隧穿。（a，b）以MoS
2積分為例的Ti和Au接觸M2DS結(jié)和參考MS結(jié)的示意圖，以及平衡條件下的相應(yīng)能帶圖。（c） 計(jì)算了MoS
2和h-BN集成層的量子隧穿幾率隨電子能量的變化。比較了雜化和vdW間隙金屬接觸。（d–g）ln（J/V2）與ln（1/V）特性說明了Ti和Au接觸M2DS配置的DT和熱離子發(fā)射載流子輸運(yùn)。（d–g）：ln（J/V2）與1/V特性的插圖說明了MoS
2和h-BN集成M2DS配置的FNT載流子傳輸。（h，i）使用溫度變量Arrhenius方法提取零V附近的νb。Ti和Au接觸MS參考結(jié)的數(shù)據(jù)也包含在（d–i）中進(jìn)行比較。
圖6.比較Ti/MoS
2/p-Si和Au/MoS
2/p-Si M2DS結(jié)與其他MoS
2基結(jié)的基準(zhǔn)測試。（a，b）與MS基準(zhǔn)結(jié)相比，M2DS結(jié)中使用MoS
2抑制反向飽和電流并提高整流比。（c） Ti/MoS
2/p-Si和Au/MoS
2/p-Si M2DS結(jié)構(gòu)的二極管行為。插圖：對應(yīng)的理想因子作為V的函數(shù)。這里kB是玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度?；诠潭ɡ硐胍蜃佑?jì)算的J–V特性也用實(shí)線表示。（d） 與MoS
2基結(jié)相比，最大和最小J隨V的變化表現(xiàn)出操縱電荷輸運(yùn)的持續(xù)能力。（e） G隨整流比的變化說明Ti/MoS
2/p-Si和Au/MoS
2/p-Si M2DS結(jié)在保持高G和整流比的情況下具有平衡的性能。此處引用的數(shù)據(jù)基于每個(gè)工作提供的電流-電壓關(guān)系的可用性，其不直接反映相應(yīng)的擊穿電壓。
相關(guān)研究成果由微電子研究所
Tibor Grasser、布法羅大學(xué)Fei Yao和Huamin Li課題組2025年發(fā)表在
ACS Nano (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15271)上。原文：Enormous Out-of-Plane Charge Rectification and Conductance through Two-Dimensional Monolayers
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
