基于MoTe2二维材料的无掺杂双极性场效应晶体管及其在CMOS纳米电子学中的应用

这篇研究通过实验与理论模拟揭示了MoTe2双极性场效应晶体管（FET）在空气环境下的稳定电荷传输特性，无需复杂封装即可实现n型与p型双极性传导。研究结合第一性原理计算阐明了Ni/MoTe2界面的对称能带对齐机制，并通过变温电学表征揭示了界面电荷陷阱与声子散射对载流子迁移率的影响。该工作为二维材料在互补金属氧化物半导体（CMOS）技术中的无掺杂集成提供了新思路。

　　

1 引言

过渡金属二硫属化物（TMDs）因其独特的层状结构和可调电子特性成为研究热点。其中二碲化钼（MoTe₂）具有2H（半导体）和1T′（半金属）两种相态，其厚度依赖的带隙（体材料0.88 eV，单层1.1 eV）特别适合低功耗逻辑器件。然而，传统二维材料集成CMOS技术需分别实现n型和p型掺杂，而MoTe₂的本征双极性特性可天然规避这一难题。

2 第一性原理模拟

通过密度泛函理论（DFT）计算对比了2H-MoTe₂（间接带隙1.1 eV）与1T′相（金属性）的电子结构。关键发现是Ni/MoTe₂界面存在近乎对称的载流子注入势垒（导带0.48 eV，价带0.57 eV），这解释了实验中观察到的均衡电子/空穴传输。

3 器件制备

采用机械剥离法制备15 nm厚2H-MoTe₂沟道，通过拉曼光谱（特征峰170.21 cm^-1 A_1g和230.4 cm^-1 E¹_2g）确认相态纯度。Ni/Au电极与沟道形成非欧姆接触，而1T′相器件则显示欧姆特性。

5 电流-电压特性

2H-MoTe₂ FET在室温下展现显著双极性行为：p区开关比10⁵，n区10⁴，电子/空穴迁移率分别为162 cm² V^-1s^-1和65 cm² V^-1s^-1。变温测试（20-120°C）显示高温导致阈值电压漂移和滞后效应增强，源于SiO₂界面电荷陷阱密度增加。值得注意的是，即便在3小时高温暴露后，器件仍保持稳定双极性传输，反驳了环境敏感性的传统认知。

6 二维双极性FET性能对比

在未封装二维材料中，MoTe₂展现出优异的迁移率与开关比平衡性。理论计算指出其优势源于较低的电子有效质量（0.39 m₀ vs 空穴0.6 m₀）和优化的金属-半导体界面。

7 结论

本研究证实MoTe₂无需掺杂即可实现CMOS兼容的双极性传输，其环境稳定性突破了二维器件必须封装的限制。未来通过六方氮化硼（hBN）封装或高κ介电层优化，可进一步提升界面质量。这项工作为开发基于本征双极性特性的下一代纳米电子器件奠定了基础。