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场效应晶体管和超薄MoSe₂层的固有迁移率

S. Larentis, B. Fallahazad, and E. Tutuc

Microelectronics Research Center, Department of Electrical and Computer Engineering,

The University of Texas at Austin, Austin, TX78758, USA

摘要：本文使用超薄机械剥离制造了MoSe₂背栅场效应晶体管。 MoSe₂背栅场效应晶体管是n型并具有高栅极调制，其开/关比大于10⁶. 器件在交换源极和漏极时表现出不对称特性，这一发现解释为在金属接触/ MoSe₂处存在肖特基势垒接口。使用四点背栅器件，我们测量了MoSe₂的固有电导率和迁移率，作为栅极偏置和温度的函数。室温迁移率〜50 cm2 / V·s的样品表现出强烈的温度依赖性，表明声子是主要的散射机制。

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1. 引言

过渡金属二硫属元素化物（TMD）是以MX₂为特征的材料，其中M代表过渡金属（Mo，W），X代表硫属元素（S，Se或Te）。过渡金属二硫族化合物是分层材料，由X-M-X结构的层组成。在每层中，M-X键是共价键，而分开的层通过范德华相互作用结合。最近的研究证明，用于分离石墨烯单层的微机械剥离也是获得各种TMDs薄片的有效方法[3-6]。使用光学显微镜，对SiO₂ / Si衬底上的厚度依赖性对比。通过对MoS₂进行了广泛的调查，我们发现各种基于TMD的电子设备[4-6]。例如MoS₂单层n型场效应晶体管（FET）[8,9]，MoS₂光电晶体管[10]，MoS₂双层化学传感器[11]，逻辑门，存储单元和使用大型MoS2薄片的放大器[12-14]。此外，还展示了使用单层WSe₂[15]的顶栅p型场效应晶体管和使用多层WS₂[16]的双极背栅场效应晶体管。基于TMD的FET通常具有高的开/关比，大于10⁶.这样的半导体可以缩小到0.7nm厚的单层，这使得它们作为用于积极缩放的FET的超薄本体很有吸引力。与石墨烯相比，较大的带隙可确保较大的开/关比。

在这项研究中，我们检查了电子传输另一种TMD，即MoSe₂，它是一种间接带隙为1.1eV[17,18]的半导体，其体积增加到1.55eV，并成为单层和双层[18,19]。我们讨论了使用超薄MoSe₂薄片在SiO₂ / Si衬底上机械剥离的场效应晶体管的实现。MoSe₂ FET为n型具有良好的栅极控制，开/关比大于10⁶. 我们可以测量四点式门控器件的固有电导率，并测量出MoSe₂的迁移率。温度依赖性表明迁移率随着温度的降低而显着增加，表明声子散射在室温下占优势。

2. 模拟与实验

这里使用的MoSe₂薄片通过使用晶粒尺寸小于44mu;m的MoSe2粉末通过微机械剥离，来制备。在285nm厚的SiO₂薄膜上剥离MoSe₂薄片，在高度掺杂的n型Si晶片（100）上热生长。使用光学显微镜观察剥离的薄片，并且通过原子力显微镜（AFM）测量它们的厚度。图1（a）显示了SiO₂ / Si衬底上的MoSe2薄片的光学显微照片，而图1（b）显示了通过AFM探测的薄片形貌，显示了分层堆放。典型的薄片尺寸为1-3mu;m，厚度范围为3-80nm。单个MoSe₂薄片通常具有不同厚度的平台，平台表面粗糙度范围为0.2到0.6nm。通过测量在285nm厚的SiO₂衬底上的MoSe₂光学对比度，发现测量厚度薄至4.8nm[4-6]。

为了评估MoSe₂质量，我们对粉末样品进行了X射线衍射（XRD）。图1（c）所示的功率XRD图谱与2H-Drysadallite图谱[20]相匹配，材料具有六方2H-MoSe₂结构和空间群D⁴_6h[21]，并与之前的MoSe₂粉末的XRD[22,23]一致。半高宽为0.223。为了进一步评估剥落的MoSe₂薄片，我们使用雷尼绍InVia拉曼显微镜进行mu;-拉曼光谱。图1（d-e）显示了使用442nm的拉曼光谱和532 nm的MoSe<s

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