杂质对二硫化钼场效应晶体管磁滞效应的影响

方佳佳，杨启志，王 权



杂质对二硫化钼场效应晶体管磁滞效应的影响

方佳佳，杨启志，王 权

（江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013）

二硫化钼（MoS2）具有优异的理化性能，但是磁滞效应限制了其在半导体器件上的大量应用。研究了化学气相沉积法（CVD）生长的MoS2薄膜制备的悬置和非悬置场效应晶体管在室温下（20℃左右）的电学特性曲线。发现非悬置场效应晶体管和悬置场效应晶体管中都存在磁滞现象，但是非悬置场效应晶体管的磁滞现象比悬置场效应晶体管更强。说明在样品制备过程中引入的水分子和氧分子等杂质吸附在样品表面和衬底与样品之间的界面上，这些杂质能从沟道材料的导带中转移电子充当载流子导致了磁滞效应的发生。

MoS2；场效应晶体管；悬置；非悬置；磁滞；电学特性曲线

近年来，具有层状结构的二维材料在下一代纳米电子器件应用上的潜在可能性使其受到越来越多的重视[1-2]，其中二硫化钼（MoS2）是具有带隙的n型半导体层状材料，带隙介于1.3~1.8 eV，使其在低功耗、高开关比电学及光电器件上的应用成为可能[3-5]。然而，由于高比表面积的存在，使得MoS2场效应晶体管对环境变化很敏感。环境中的气体分子，如氧分子和水分子等，导致器件有很大的磁滞效应存在，造成器件性能的不稳定，大大限制了MoS2在场效应晶体管上的应用。有很多科研人员对造成磁滞的影响因素进行了研究。

Tao等通过显微纳米操作技术从块体MoS2中剥离得到多层MoS2样品，制备成背栅场效应晶体管，研究发现，背栅栅压从20 V增大到80 V的过程中，和Δ也随之增大[6]。这是由于随着背栅栅压的增大，水分子和氧气分子中吸附的电子转移到MoS2沟道上，使得沟道上消耗的载流子减少。Late等通过机械剥离法从块体MoS2中剥离到单层MoS2样品，制成场效应晶体管后发现磁滞行为是由于在表面吸附的杂质导致，并被MoS2光敏感特性放大[7]。Shimazu等[8]从块体MoS2上机械剥离得到MoS2样品，制成场效应晶体管后发现空气中的水分子是导致磁滞的主要因素。Shu等通过机械剥离法得到MoS2样品，制成悬置及非悬置场效应晶体管后研究发现，在真空条件下的磁滞效应与气体吸附及SiO2衬底无关，但是会受到栅压的影响，栅压的扫描范围、扫描方向、扫描时间和栅压施加的历史都会导致在转移曲线中观察到磁滞现象[9]。

目前文献大多针对机械剥离法制备的MoS2样品进行研究，机械剥离法制备得到的样品物理质量高，然而不能够合理有效地重复制备。化学气相沉积法（CVD）是一种有效生长高质量大面积MoS2薄膜的方法，对于器件的应用更具有实际意义[10]。本文采用CVD法生长得到的MoS2薄膜制备的悬置及非悬置场效应晶体管作为研究对象，研究了在不同温度下的磁滞现象，对比分析性能得到了磁滞效应的产生原因。本研究有助于提高MoS2场效应晶体管器件的性能，并且能够实现高性能、低功耗纳米级电学和光电子器件的制作。

1 实验

1.1 实验样品的制备

将0.6 g的S粉，30 mg的MoO3粉末分别放在管式炉中特定位置，MoO3粉末放置在Si/SiO2衬底上并压成较薄片层。对管式炉充入氮气作为保护气体，以20 ℃/min的升温速度使温度升高到550 ℃，此时S粉被气化，再以5 ℃/min的升温速度使温度升高到850 ℃并保温15 min，然后自然冷却。在衬底上便得到了厚度可达20 µm的二硫化钼薄膜。然后通过PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）分别转移到带方孔和不带方孔的300 nm SiO2/Si衬底上，再用丙酮去除表面的PMMA，酒精、去离子水依次清洗表面，制备得到悬置和非悬置的MoS2场效应晶体管。

1.2 光学显微镜图

制备好的样品在Olympus显微镜下观察其转移后样品与电极接触情况及与带方孔衬底的接触情况，并拍摄悬置与非悬置场效应晶体管光学显微镜照片作为对比。

1.3 拉曼表征

拉曼光谱测试是MoS2研究中很重要的一部分，拉曼光谱常用来表征样品表面质量及确定样品层数。本研究采用拉曼光谱仪（WiTec alpha 300R）对制备的场效应晶体管样品进行了拉曼表征，激发波长选用532 nm的激光，功率在2 mW之下，以避免激光表征过程中对样品带来的不必要的损伤，得到悬置和非悬置场效应晶体管上选取点的拉曼光谱。

1.4 电学性能测试

MoS2场效应晶体管磁滞性能的研究主要使用探针台测试其电学性能。本文采用Cascade半自动探针台和半导体参数分析仪Keysight B1500对两种样品及不同条件下样品进行电学性能测试，主要对悬置和非悬置样品在不同温度、不同背栅电压条件下分别测试其转移特性曲线。通过对磁滞性质的差异进行比较，研究MoS2场效应晶体管磁滞的影响因素。

2 实验结果及分析

悬置和非悬置场效应晶体管的光学显微镜图像如图1所示。为了研究MoS2样品质量及层数，对两种不同的场效应晶体管上的MoS2样品进行Raman表征，图1中标示的三个点的Raman光谱表征结果如图2所示。A1g模式与硫原子面外的振动模式有关，而E12g模式与钼原子和硫原子面内振动模式有关[11]。此外，A1g和E12g两峰位之间的差Δ与样品层数密切相关，能够用来确定MoS2材料的厚度[12]。从图2中可以看出三点的Δ值都在19.0~19.5 cm–1，说明MoS2是很好的单层材料。

（a）非悬置场效应晶体管

（b）悬置场效应晶体管

图1 非悬置和悬置场效应晶体管的光学显微镜图像

Fig.1 The optical microscope images of supported and suspended FETs

图2 不同位置处MoS2场效应晶体管拉曼光谱，a，b，c三条曲线分别对应图1中标注的a，b，c三点，图中a曲线的E12g峰的峰位为386.2 cm–1，A1g峰的峰位为405.3 cm–1，b和c曲线的E12g峰的峰位为386.4 cm–1，A1g峰的峰位为405.4 cm–1

非悬置场效应晶体管在室温下（20℃）不同栅压下输出特性曲线如图3（a）所示，在偏压高达40 mV的条件下输出曲线中源漏电流与源漏电压之间表现出很好的线性关系，说明MoS2材料和金电极之间的接触是良好的欧姆接触。非悬置场效应晶体管在不同源漏电压下转移特性曲线如图3（b）所示，其中源漏电压分别为100，300，500和800 mV。背栅栅压从–10 V到10 V为正向扫描，从10 V到–10 V为反向扫描。在四条曲线中都出现了很大程度的磁滞现象，可以通过电压偏移Δ来衡量。Δ是转移曲线中正向扫描和反向扫描曲线中最大的偏移电压。从图3中可以看出在背栅电压从100 mV增大到800 mV的过程中Δ也有很明显的增大，说明背栅栅压对磁滞效应的大小产生会有影响。

（a）不同背栅栅压下非悬置场效应晶体管输出特性曲线

（b）不同源漏电压下非悬置场效应晶体管转移特性曲线

图3 非悬置场效应晶体管室温下（20℃）电学特性曲线

Fig.3 Electrical characteristic curves of supported FET at room temperature (20℃)

图4（a）和（b）是悬置场效应晶体管在不同背栅栅压下的输出特性曲线和在不同源漏电压下的转移特性曲线，从中可以观察到与非悬置场效应晶体管相同的结果，在偏压达到40 mV条件下输出曲线中源漏电流与源漏电压之间表现出很好的线性关系，在不同源漏电压下转移曲线都存在较为明显的磁滞现象。说明虽然背栅栅压的大小会影响磁滞的强弱程度，但背栅栅压不是产生磁滞的根本原因。从非悬置与悬置场效应晶体管的转移曲线中可以得到电压偏移量Δ，将两器件的Δ对比分析如图5所示，从图中可以看出在相同的源漏电压下非悬置场效应晶体管的磁滞现象比悬置器件的要强。这是由于在样品制作过程中，与空气接触使得大量水分子和氧分子等杂质吸附在样品表面，在施加栅压后杂质中的电子充当电荷载流子转移到沟道材料中，导致磁滞现象的发生。在不同栅压下其电荷转移能力不同，所以背栅栅压会对磁滞现象的强弱有影响。非悬置场效应晶体管中薄膜材料下底面与衬底接触，衬底表面质量与洁净程度也会对磁滞现象的强弱产生影响，所以在相同源漏电压下，非悬置场效应晶体管的磁滞现象比悬置场效应晶体管的磁滞现象要强。

（a）不同背栅栅压下悬置场效应晶体管输出特性曲线

（b）不同源漏电压下悬置场效应晶体管转移特性曲线

图4 悬置场效应晶体管室温下（20℃）电学特性曲线

Fig.4 The electrical characteristic curves of suspended FETs at room temperature (20℃)

图5 不同源漏电压下非悬置场效应晶体管及悬置场效应晶体管电压偏移ΔV对比图

3 结论

为了研究场效应晶体管中磁滞效应产生的原因，采用了一种新的方法制备了基于MoS2的悬置和非悬置场效应晶体管，对其电学性能曲线进行测试发现转移特性曲线中随着源漏电流的增大，磁滞现象稍有增加，表明源漏电流会影响磁滞现象，但不是磁滞现象产生的原因。样品在制备过程中会引入大量水分子及氧分子等杂质，这些杂质会从沟道材料的导带中转移电荷载流子导致磁滞现象的产生，这是磁滞现象产生的根本原因。所以通过PMMA或其他材料将样品表面包裹起来避免与空气环境接触能有效减少磁滞现象的发生。本研究对MoS2场效应晶体管性能有很大的提高，能够实现高性能低功耗的纳米级电学和光电器件的制作。

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（编辑：陈丰）

Effect of impurities on hysteresis of MoS2field-effect transistors

FANG Jiajia, YANG Qizhi, WANG Quan

(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu Province, China)

Molybdenum disulfide (MoS2) has promising characteristics as semiconductor devices, but the large hysteresis observed in transfer characteristic curves limites its application in field effect transistors (FETs). The electrical characteristic curves of supported and suspended devices with MoS2films prepared by chemical vapor deposition method were measured at room temperature (20℃). The hysteresis appeares both in supported device and suspended device, but the hysteresis in supported device is more obvious than that of suspended device. The results suggest that, the adsorption of oxygen and water molecular on the surface of MoS2plays a crucial role in leading to the hysteresis, since the adsorbed molecular can capture charge carriers from the conduction band of the MoS2channel.

MoS2; field-effect transistor; suspended; supported; hysteresis; electrical characteristic curve

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.010

TN386

A

1001-2028（2017）04-0052-04

2017-02-27

王权

国家自然科学基金资助项目（No. 51675246）；镇江市工业支撑项目（No. GY2016014）

王权（1973－），男，江苏句容人，教授，博士，主要从事新型二维材料器件研究，E-mail: wangq@mail.ujs.edu.cn；方佳佳（1992－），男，河南信阳人，研究生，主要从事新型二维材料器件研究。

网络出版时间：2017-04-11 10:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.010.html