基于PEO/LiClO4固态电解质的二维MoS2双电层晶体管的制备与性能研究

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过渡金属硫属化合物(TMDs)具有1-2 eV的可调带隙,可以用来构筑具有高开关比的场效应晶体管,实现其在光电探测和信息存储等领域的应用。然而,由于库伦杂质散射、极性表面光学声子散射和电荷陷阱的影响,实际晶体管器件的载流子迁移率远低于其理论值,限制了其开态电流的大小,从而减小了器件的开关比。离子导电固态电解质作为晶体管的栅介质可以抑制沟道材料的库伦杂质散射,提高载流子迁移率,还可以形成双电层电容,增强栅极调控效果,从而大幅度改善晶体管的工作电压和开关比等特性。然而以固态电解质为栅介质的晶体管在同一衬底上多器件应用时,存在器件间相互干扰的问题,我们利用电子束照射聚氧化乙烯(PEO)使其变性不溶于水的特性,对其进行图案化,并以PEO/LiC l O4固态电解质作为栅介质构建了基于TMDs材料的双电层晶体管,探索其制备工艺,并在此基础上研究器件性能,主要内容如下:(1)以机械剥离的MoS2为沟道材料,以PEO/LiClO4固态电解质为栅介质构筑了双电层晶体管。采用冷冻干燥的方式在低温下干燥器件以解决高温干燥发生的电极腐蚀问题。对晶体管的电学测试表明以固态电解质作为栅介质可以显著提高器件的沟道电导(~103)和电子迁移率,使器件的开关比达到了105。基于光致发光光谱(PL)分析,器件性能提高源于固态电解质对缺陷的屏蔽作用和对沟道的电荷注入效果。此外,固态电解质还可以与Si O2形成耦合电容增加器件栅极的场效应调控效果。(2)基于PEO/LiClO4固态电解质对MoS2晶体管器件性能的改善效果,通过光刻负胶工艺(基于电子束曝光),以MoS2(N型)和WSe2(P型)作为沟道材料进一步构筑了半沟道耦合晶体管(PEO/LiClO4固态电解质覆盖器件沟道的一半)。对于MoS2晶体管来说,其开态电导主要受源极接触势垒的影响,而离子栅改善器件漏极与半导体间的接触,导致器件的离子栅转移特性曲线出现饱和现象。对于WSe2晶体管来说,器件开态电导主要受漏极接触势垒的影响,随着栅压对沟道的载流子注入和对接触势垒的调控,器件在Vig>0 V时,其输出特性曲线呈现三个区间,分别为反向导通区、中间截止区和正向导通区。
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