种子辅助的柔性WSe2晶体管极性控制及CMOS反相器演示

《npj Flexible Electronics》：Seed-assisted polarity control of flexible WSe2 transistors and demonstration of CMOS inverter

　　

过渡金属二硫族化物场效应晶体管（FETs）的极性工程已成为互补逻辑的关键要求。在此，研究人员报告了采用原子层沉积（ALD）顶栅介电质的柔性二硒化钨（WSe₂）FETs的极性控制。研究人员确定蒸发的WOx是ALD顶栅的合适种子，可实现p沟道WSe₂ FETs，而蒸发的Al种子导致n沟道FETs。研究人员的柔性p沟道FETs实现了高达10⁶的良好漏极电流开关比，具有负阈值电压的增强模式操作，以及低至约6?×?10^?7?μA/μm的关断电流，这对于低功耗操作很重要。将两种种子层结合在一个制造工艺中，研究人员展示了柔性WSe₂互补金属氧化物半导体（CMOS）反相器。研究人员的反相器表现出良好的开关行为，电压增益高达65，总噪声容限高达约88%。总体而言，本研究为柔性WSe₂ FETs的极性工程提供了一种策略，并突出了柔性互补WSe₂电子学的潜力。

二维过渡金属二硫族化物（TMDs）在下一代柔性可穿戴电子中具有重要前景，其中二硒化钨（WSe₂）因其独特的双极性传输特性，成为实现互补逻辑（CMOS）的理想沟道材料。然而，在柔性衬底上实现WSe₂场效应晶体管（FETs）的极性控制面临严峻挑战：传统掺杂策略（如替代掺杂）会劣化迁移率，而现有界面工程、接触工程等方法多基于刚性衬底，且未建立统一的顶栅工艺。尤其是，蒸发的WOx虽已被报道为p型掺杂剂，但未作为顶栅种子层用于柔性器件；Al种子虽常用于n型掺杂，但两者缺乏可互换的工艺步骤。为解决这一问题，研究人员开展了本研究，旨在通过种子层辅助的顶栅介电质直接实现柔性WSe₂ FETs的极性调控，并进一步展示柔性CMOS反相器。研究结论表明，利用蒸发的WOx和Al种子层，可分别获得p沟道和n沟道柔性WSe₂ FETs，其电学性能优异（p沟道开关比达10⁶，关断电流低至6×10^?7 μA/μm），且基于此的CMOS反相器实现了电压增益高达65、总噪声容限约88%的良好开关特性。该研究填补了柔性WSe₂ CMOS反相器的文献空白，为柔性互补电子学提供了有前景的极性工程策略。论文发表在《npj Flexible Electronics》。

主要关键的技术方法：研究人员采用机械剥离或化学气相沉积（CVD）生长的少层WSe₂作为沟道材料，在柔性聚酰亚胺（PI）衬底上制备顶栅FETs。核心方法包括：电子束蒸发1.5 nm种子层（WOx或Al），随后通过原子层沉积（ALD）在200°C下沉积30 nm Al₂O₃作为顶栅介电质；源漏及顶栅电极均为Au，通过光刻和等离子体刻蚀定义沟道。对于CMOS反相器，先在全局沉积WOx，再通过光刻开窗选择性沉积Al种子，最后统一形成顶栅。样本来源：WSe₂来自块体晶体机械剥离或CVD合成（Se粉和WO_2.9/NaCl混合物，825°C生长）。

研究结果（保留每个小标题）：
1. **柔性p沟道WSe₂ FETs（WOx种子）**：通过电学测量，该种子层实现了单极p沟道行为，最大漏极电流|I_D,max|约1.2 μA/μm，阈值电压V_T约-9.8 V，开关比~10⁶，关断电流低至6×10^?7 μA/μm（V_DS=-1 V）。拉曼光谱显示WOx沉积未损伤WSe₂。机制分析表明，WOx的高功函数（~6.4 eV）导致电子从WSe₂转移，形成p型掺杂。与已报道的顶栅p沟道WSe₂ FETs相比，本器件的开关比和关断电流具有竞争力，甚至优于部分刚性衬底器件。
2. **柔性n沟道WSe₂ FETs（Al种子）**：Al种子层（氧化形成AlOx）实现了n沟道行为，开关比>10⁵，阈值电压~9 V，关断电流约2×10^?6 μA/μm，最大漏极电流达7.8 μA/μm。AlOx的n型掺杂归因于正固定电荷和界面电荷。两种种子层的FETs在弯曲半径4 mm条件下均表现出机械稳定性，电学特性无明显变化。
3. **柔性CMOS反相器**：将两种种子层集成在同一衬底上，制造了基于WSe₂的CMOS反相器。电压传输特性（VTC）显示良好的轨到轨切换，电压增益随供电电压V_DD增大而提高，最高达65（V_DD=10 V），总噪声容限（NM）约88%。静态功耗在V_DD=2 V时仅为95 pW。反相器存在一定的迟滞，需进一步优化（如退火、封装）。此外，采用CVD WSe₂的反相器也实现了约15的增益（V_DD=5 V），表明该方法具有普适性。

总结讨论部分：研究人员在讨论中指出，WOx种子层形成的界面质量优于Al种子，迟滞较小，这可能归因于WOx增加了Al₂O₃缺陷带与沟道的物理距离并钝化界面陷阱。迟滞主要由栅电场诱导的电荷俘获引起，在脉冲测量中显著减小。机械弯曲测试表明器件在应变<0.1%时性能稳定，基于衬底厚度（5 μm）可承受更小弯曲半径。对于CMOS反相器，VTC对称性受限于n/p沟道FETs的电学性能差异（如阈值电压、电流大小），可通过调整沟道宽长比、种子层化学计量比或接触工程优化。与现有柔性TMD CMOS反相器（包括基于离子凝胶介电质或混合沟道材料）相比，本工作基于固态介电质的柔性WSe₂反相器在增益和噪声容限方面具有竞争力，但需进一步缩小等效氧化层厚度（EOT）并最小化迟滞。研究结论部分翻译如下：总之，本文介绍了通过蒸发WOx种子层实现的柔性p沟道WSe₂ FETs，用于ALD顶栅。该种子层显示出有前景的掺杂效果，导致单极p沟道行为，开关比高达10⁶，关断电流低至6×10^?7 μA/μm。其他器件特性（如最大漏极电流、开关比、迟滞、栅极漏电流和栅极电容）与参考的Al种子n沟道FETs相似或更好。通过利用两种不同的种子，研究人员的工作展示了与顶栅介电质兼容的柔性WSe₂ FETs极性调谐。此外，将Al和WOx种子结合在一个制造工艺中，创建了柔性WSe₂ CMOS反相器，表现出良好的开关特性，电压增益高达65，总噪声容限高达约88%。与之前的离子凝胶介电质或混合沟道集成相比，这代表了一种基于固态栅介电质的柔性WSe₂ CMOS电子学的有前景的路线。虽然初步结果需要进一步改进（如EOT缩放和迟滞最小化），但研究人员展示了使用蒸发种子层的有效极性控制和CMOS功能。总体而言，这项工作为仅使用WSe₂作为沟道材料的柔性CMOS电子学迈出了有前景的一步。