Comportement de type P à N ajustable dans les transistors multicouches MoTe₂ et leur application dans des inverseurs complémentaires

Résumé

Les transistors MoTe₂ de type p et de type n sont tous deux essentiels pour construire des circuits électroniques et optoélectroniques complémentaires. Dans ce travail, nous démontrons un transistor multicouche MoTe₂ de type p stable à l'air fabriqué avec des électrodes Au, et montrons que le dispositif peut être converti en transistor de type n par recuit sous vide. Des mesures in situ dépendantes de la température, soutenues par des simulations de premiers principes, révèlent que le comportement de type n intrinsèque provient des lacunes de tellure, tandis que l'exposition à l'air ambiant induit un transfert de charge avec le couple redox oxygène/eau qui stabilise le fonctionnement de type p. En utilisant les canaux MoTe₂ de type p et de type n, nous fabriquons un inverseur complémentaire offrant un gain de tension allant jusqu'à 9 à V_DD = 5 V.

Contexte

Les matériaux bidimensionnels (2D), tels que le graphène, peuvent être exfoliés en couches atomiquement minces, ouvrant de nouvelles voies pour explorer la physique 2D et les applications dispositifs [1-9]. Les dichalcogénures de métaux de transition (TMDs) possèdent des bandes interdites significatives et présentent une flexibilité mécanique et une inertie chimique, les rendant attractifs pour les transistors à effet de champ (FET) de nouvelle génération, les inverseurs, les diodes électroluminescentes et les hétérostructures de van der Waals [2-28].

Le ditellurure de molybdène 2H (2H-MoTe₂) est un TMD prototype, avec une bande interdite indirecte de 0,83 eV dans le volume et une bande directe de 1,1 eV en monocouche [29-30]. Il a été étudié pour la spintronique, les FET, les photodétecteurs et les cellules solaires [31-39]. En raison du grand rapport surface/volume du 2H-MoTe₂ multicouche, ses propriétés électroniques sont hautement sensibles aux adsorbants ambiants, ce qui complique l'extraction des caractéristiques de transport intrinsèques.

Dans cette étude, nous fabriquons un transistor 2H-MoTe₂ multicouche avec des électrodes source et drain, transférant un flocon de MoTe₂ propre pour relier les contacts. Le dispositif entier est exposé à l'air, nous permettant d'étudier l'effet des espèces ambiantes sur le transport de charge. Des mesures dépendantes du vide et de la température démontrent que le transistor est intrinsèquement de type n, tandis que l'exposition à l'air induit un dopage de type p. Des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) attribuent le comportement de type n aux lacunes de tellure. En convertissant entre le fonctionnement de type p et de type n, nous assemblons un inverseur complémentaire présentant des caractéristiques entrée/sortie symétriques et un gain maximal de 9 à V_DD = 5 V.

Résultats et discussion

Contrairement aux rapports précédents, notre disposition de dispositif (Fig. 1a) commence par une structure à grille arrière. Nous patternons d'abord des électrodes source-drain Cr/Au sur un substrat SiO₂/Si⁺. Un flocon multicouche de MoTe₂, préparé sur un wafer SiO₂/Si⁺ séparé par exfoliation mécanique, est ensuite transféré pour relier les électrodes, assurant un canal propre, sans polymère (Fig. 1b). Comme tout le flocon est exposé à l'air, nous pouvons étudier systématiquement l'influence des adsorbants sur la conductance intrinsèque.

L'imagerie AFM confirme une épaisseur de 17 nm (≈24 monocouches) (Fig. 1c,d), tandis que la spectroscopie Raman montre les modes caractéristiques A₁g (172 cm⁻¹), E¹₂g (233 cm⁻¹) et B¹₂g (289 cm⁻¹), indiquant une haute qualité cristalline (Fig. 1e).

Les mesures à grille arrière ont été effectuées dans une station de sondage Lakeshore couplée à un analyseur Agilent B1500A, avec des pressions jusqu'à 10⁻⁵ mbar et des températures variant de 9 K à 350 K. Dans l'air ambiant à température ambiante, la courbe de transfert (V_sd = 1 V, Fig. 2a) montre une réponse de type p : le dispositif s'allume sous polarisation de grille négative et s'éteint sous polarisation positive, avec un rapport marche/arrêt de 6 × 10³, un sous-seuil de 350 mV dec⁻¹, et une mobilité à effet de champ de 8 cm² V⁻¹ s⁻¹. Un comportement de type p similaire est observé dans des dispositifs de diverses épaisseurs (5-85 nm) (Fichiers supplémentaires S1-S3).

La figure 2b affiche les caractéristiques de sortie, révélant des courbes I-V quasi-linéaires qui impliquent une barrière de Schottky négligeable entre l'Au et le MoTe₂ dans l'air. Le courant de marche évolue linéairement avec V_sd (Fig. 2c), tandis que le courant d'arrêt augmente avec V_sd, réduisant le rapport marche/arrêt — un signe distinctif des états de piégeage introduits par les adsorbants. L'hystérésis dans les courbes de transfert confirme la présence de tels pièges (Fichier supplémentaire S4).

Pour isoler le rôle des espèces ambiantes, nous avons mesuré le dispositif sous vide progressivement plus poussé. Comme le montre la Fig. 3a, l'augmentation du vide réduit le courant de marche (du fait d'une résistance plus élevée due à l'élimination des adsorbants) et augmente le courant d'arrêt, indiquant que le transport électronique est progressivement supprimé. Les courbes de sortie à 2,9 × 10⁻⁵ mbar (Fig. 3b) présentent une barrière de Schottky légèrement plus grande, soutenant la conclusion que les adsorbants modulent la hauteur effective de la barrière.

Les mesures dépendantes de la température (Fig. 4a) révèlent que le transistor reste de type p jusqu'à 20 K. Les courants de marche et d'arrêt diminuent avec la température, tandis que le rapport marche/arrêt s'améliore. Les graphiques d'Arrhenius (Fig. 4c) montrent un régime activé thermiquement au-dessus de 100 K et un régime dominé par effet tunnel en dessous, permettant l'extraction d'une hauteur effective de barrière de Schottky inférieure à 120 meV (Fig. 4d). Malgré la réduction des adsorbants à basse température, les espèces résiduelles influencent encore la conductance.

Nous avons ensuite recuit le dispositif à 350 K sous vide (Fig. 5a). La courbe de transfert passe de type p à type n : à 350 K, le dispositif est éteint sous polarisation de grille négative et allumé sous polarisation positive, avec un rapport marche/arrêt de 3,8 × 10², un sous-seuil de 1,1 V dec⁻¹, et une mobilité de 2 cm² V⁻¹ s⁻¹. Après maintien du dispositif sous vide pendant 12 h à température ambiante, le comportement de type n persiste (Fig. 6a). Un recuit supplémentaire à 523 K sous Ar confirme davantage la stabilité de l'état de type n (Fichiers supplémentaires S5).

Les calculs DFT pour une supercellule monocouche 4 × 4 révèlent qu'une lacune de tellure introduit un état de défaut juste en dessous de la bande de conduction, expliquant la conductance intrinsèque de type n (Fig. 7). Inversement, l'exposition à l'O₂/H₂O ambiant entraîne un transfert de charge du MoTe₂ vers le couple redox oxygène/eau (Fig. 8), résultant en un dopage de type p. La fonction de travail du MoTe₂ (4,1 eV) est inférieure à celle du couple redox (> 4,83 eV), entraînant un transfert d'électrons et la création de trous dans le matériau.

Enfin, nous avons assemblé un inverseur complémentaire en utilisant les transistors de type p et de type n (Fig. 9a). Avec un V_DD de 5 V dans un vide de 8 × 10⁻⁵ mbar, l'inverseur montre une caractéristique de transfert de tension symétrique centrée sur V_DD/2 (Fig. 9d) et des marges de bruit de 1,54 V (basse) et 1,77 V (haute). Le gain de tension augmente avec V_DD, atteignant 9 à 5 V (Fig. 9f). Ces résultats démontrent que le MoTe₂ peut servir de canal actif dans des dispositifs logiques complémentaires à haute performance.

Conclusions

En résumé, nous avons fabriqué des transistors MoTe₂ multicouches de type p stables à l'air et démontré que leur comportement intrinsèque de type n peut être révélé par recuit sous vide. La conductance de type n provient des lacunes de tellure, comme confirmé par DFT. L'oxygène et l'eau ambiants agissent comme accepteurs via le couple redox, convertissant le dispositif en type p. Les deux types de dispositifs présentent des barrières de Schottky réduites en présence d'adsorbants, facilitant une haute performance. En exploitant ces transistors à double type, nous avons construit un inverseur complémentaire avec un gain de tension de neuf, illustrant la viabilité du MoTe₂ pour l'électronique flexible à faible consommation future.

Méthodes/Expérimental

La fabrication des dispositifs a suivi une géométrie standard à grille arrière. Premièrement, les électrodes source, drain et grille Cr/Au (5 nm/100 nm) ont été patternées sur un wafer SiO₂ 300 nm/p⁺-Si par photolithographie UV, suivie d'une gravure sélective de SiO₂. Des flocons multicouches de MoTe₂ ont été exfoliés mécaniquement de cristaux en volume cultivés par transport chimique en phase vapeur (TeCl₄, 750-700 °C, 3 jours) sur un substrat SiO₂/Si⁺ séparé. Les flocons ont ensuite été transférés sur les électrodes patternées en utilisant un milieu de transfert PVA, dissous dans l'eau et rincés à l'alcool isopropylique. Les dispositifs ont été recuits dans une chambre de dépôt chimique en phase vapeur avec une pompe sèche. Les épaisseurs ont été vérifiées par AFM (SPA-300HV) et les spectres Raman acquis avec un spectromètre LabRAM HR (laser 514 nm, 2,2 mW). La caractérisation électrique a employé un analyseur Agilent B1500A avec une station de sondage Lakeshore. Les calculs DFT ont été effectués dans VASP en utilisant des pseudopotentiels PAW, une coupure d'onde plane de 400 eV, un échantillonnage k-point 12 × 12 × 1 pour la relaxation et 24 × 24 × 1 pour la structure électronique, dans le cadre GGA-PBE.

Abréviations

2D:

Bidimensionnel

2H-MoTe₂:

Ditellurure de molybdène de type 2H

AFM:

Microscopie à force atomique

DFT:

Théorie de la fonctionnelle de la densité

DOS:

Densité d'états

FET:

Transistor à effet de champ

GGA:

Approximation du gradient généralisé

IPA:

Alcool isopropylique

I_sd:

Courant source-drain

LED:

Diode électroluminescente

NM_H:

Marge de bruit de niveau haut

NM_L:

Marge de bruit de niveau bas

PAW:

Onde augmentée de projecteur

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerhof

PVA:

Alcool polyvinylique

SD:

Source-drain

SS:

Swing de sous-seuil

TMDs:

Dichalcogénures de métaux de transition

VASP:

Vienna ab initio simulation package

V_bg:

Tension de grille arrière

V_sd:

Tension source-drain

VTC:

Caractéristiques de transfert de tension

Φ_SB:

Hauteur de barrière de Schottky