研究背景

數字邏輯電路是通過互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的n型和p型場效應晶體管（FET）的互補對。在三維（3D或塊狀）半導體中，受體或施主雜質的替代摻雜用於實現p型和n型FET。然而，低維半導體的可控p型摻雜，例如二維過渡金屬二鹵化物（2D TMDs），具有挑戰性，使得純p型和n型器件以及低電阻接觸難以實現。當金屬觸點在2D MoS2和其他TMD上蒸發時，會產生界面缺陷，將費米能級固定在導帶附近，因此可以在2D TMDs上實現高質量、低電阻n型範德華（vdW）觸點。但迄今為止，蒸發高功函數金屬到2D TMDs上獲得p型器件尚未實現。

研究成果

劍橋大學Manish Chhowalla教授課題組報道了報道了基於工業兼容的高功函數金屬（如Pd和Pt）的電子束蒸發的單層和多層二硫化鉬（MoS2）和二硒化鎢（WSe2）上的高性能p型器件。利用原子分辨率成像和光譜學，研究者證明了接近理想的vdW界面，2D TMD和3D金屬之間沒有化學相互作用。電子輸運測量表明費米能級是非固定的，基於vdW接觸的p型場效應晶體管在室溫下表現出低接觸電阻（3.3 kΩ·m）、高遷移率（190 cm2V-1s-1）、飽和電流>10-5 Aμm-1，開/關比為107。研究者還展示了一種基於n型和p型vdW觸點的超薄光伏電池，其開路電壓為0.6V，功率轉換效率為0.82%。相關研究工作以“P-type electrical contacts for two-dimensional transition metal dichalcogenides”為題發表在國際頂級期刊《Nature》上。

值得一提的是，本文一作為一位90後的小姐姐----王琰，一名中國留學生。本科在江南大學學習，之後進入北京大學攻讀碩士研究生，現如今在劍橋大學讀博深造！整個求學期間，她用默默地付出、堅定不移地努力以及對科學事業的熱愛和執著，換取了成績優異、斬獲多項獎項的榮譽。本篇文章是王琰第2篇Nature，早在3年前，也就是她讀博第一年，便以一作身份發表了她的第一篇《Nature》，標題為“Van der Waals contacts between three-dimensional metals and two-dimensional semiconductors”!時隔3年，喜訊再次傳來，再次以一作身份在《Nature》發文。祝賀，王琰！

圖文速遞

圖1. 金屬-半導體界面的原子分辨率成像和化學分析

圖2. 具有Pd和Pt觸點的多層MoS2和WSe2器件

圖3. CVD生長的具有高功函數金屬接觸的MoS2和WSe2單層

圖4. 用於MoS2和WSe2的具有不對稱電極的金屬-半導體-金屬光電二極管

結論與展望

本研究證明了在少量和單層MoS2和WSe2上高功函數金屬（如Pd、Pt和Au）的清潔vdW觸點。這些接觸導致單層MoS2上的p型特性和WSe2上的純p型特性。結果還表明，費米能級沒有固定，可以隨柵極電壓調製。通過N型和P型觸點，實現了P-N二極管。該發現在當前互補p-n場效應晶體管範式下，將使2D材料的下一代電子器件得以實現。