新興的二維 （2D） 材料與成熟的三維 （3D） 硅基半導體技術的非均相集成為未來高能效、功能豐富的納米電子器件的發展提供了一種有前途的方法。在這項研究中，我們設計了一種混合維結結構，其中 2D 單層（例如石墨烯、MoS
2 和 h-BN）夾在金屬（例如鈦、金和鈀）和 3D 半導體（例如，p-Si）之間，以研究僅在面外 （OoP） 方向上的電荷傳輸特性。比較評估了 2D 單層作為 OoP 金屬-半導體電荷注入勢壘或 OoP 半導體-金屬電荷收集勢壘的作用。與單層石墨烯相比，單層 MoS
2 和 h-BN 通過勢壘隧穿效應有效調節 OoP 金屬到半導體的電荷注入。它們的有效 OoP 電阻和電阻率是使用串聯電阻器模型提取的。有趣的是，當用作半導體-金屬電荷收集屏障時，當施加高 OoP 電壓（大于內置電壓）時，所有 2D 單層都變得電子“透明”（接近零電阻）。作為混合尺寸集成二極管，Ti/MoS
2/p-Si 和 Au/MoS
2/p-Si 配置表現出高 OoP 整流比 （5.4 × 10
4） 和電導 （1.3 × 10
5 S/m
2）。本研究的工作展示了 2D/3D 界面上的可調 OoP 電荷傳輸特性，表明了 2D/3D 異構集成的機會，即使是低于 1 nm 厚的 2D 單層，也可以增強現代硅基電子設備。
圖1. M2DS 異質結以 OoP 載流子為主，通過具有各種金屬接觸（即 Ti、Au 和 Pd）的 2D 單層（即 Gr、MoS2 和 h-BN）傳輸。（a） 示意圖、顯微鏡圖像（比例尺：300 μm）和沿 M2DS 垂直堆棧的能帶圖。這里 E
vac、E
F、E
C 和 E
V 分別表示真空的能級、費米能、導帶最小值和價帶最大值。還包括 2D 單層的拉曼光譜（波長：514 nm），其中顯示了每種 2D 材料的特征模式。（b） M2DS 結的能帶圖說明了 Gr 積分的能量匹配效應以及 MoS
2 和 h-BN 積分的勢壘隧穿效應。假設混合金屬接觸，因此不涉及 vdW 間隙。（c） Ti 誘導的雜化金屬與 2D 單層 MoS
2 的接觸示意圖，與 Au 和 Pd 誘導的 vdW 金屬接觸的比較。
圖2. 比較M2DS結和參考MS結的不同配置的J–V特性。（a） Ti、Au和Pd接觸M2DS和MS組態的半對數J–V特性。在V<0 V時通過頂部M2DS和MS結注入空穴，在V>0 V時通過頂部電極收集空穴。藍色箭頭指示M2DS結中采用不同2D單分子膜的調諧范圍。（b） V<0 V（左）和V<0 V（右）時，Ti、Au和Pd觸點M2DS和MS配置的對數J–V特性。歐姆、TFL和SCL傳輸區由擬合斜率確定。統計分析基于每種類型的20個設備，誤差條表示設備之間的偏差。
圖3. 利用不同的金屬功函數和二維單分子膜（a–c）J對通過M2DS和MS結的空穴收集（V=20 V，頂部）和空穴注入（V=−20 V，底部）的OoP載流子傳輸進行操縱，并繪制為金屬功函數、二維單分子膜帶隙和EOT的函數。（b，c）中的虛線表示MS參考連接。（d，e）映射J作為金屬功函數和2D單層帶隙的函數，揭示了V=20 V時2D單層的電子透明度和V=−20 V時的電子不透明度。（f–h）映射各種金屬功函數、2D單層帶隙和EOT的整流比，以及它們作為施加V（±2 mV、±0.2 V和±20 V）的函數的演化。
圖4. M2DS結中2D單分子膜的有效OoP電阻和電阻率。（a） 在M2DS結中串聯電阻以提取R
2D的模型。（b，c）對于Ti和Au接觸M2DS配置，提取的R
2D作為V的函數。實線和點線分別表示正R
2D和負R
2D。（d，e）對于Ti-和Au-接觸M2DS配置，提取的ρOoP作為V的函數。（f，g）比較了提取的ρOoP與單層Gr、MoS
2和h-BN的ρ
IP的一般值，顯示了OoP電荷通過二維單層膜傳輸的寬調諧范圍。
圖5.M2DS結中的勢壘隧穿。（a，b）以MoS
2積分為例的Ti和Au接觸M2DS結和參考MS結的示意圖，以及平衡條件下的相應能帶圖。（c） 計算了MoS
2和h-BN集成層的量子隧穿幾率隨電子能量的變化。比較了雜化和vdW間隙金屬接觸。（d–g）ln（J/V2）與ln（1/V）特性說明了Ti和Au接觸M2DS配置的DT和熱離子發射載流子輸運。（d–g）：ln（J/V2）與1/V特性的插圖說明了MoS
2和h-BN集成M2DS配置的FNT載流子傳輸。（h，i）使用溫度變量Arrhenius方法提取零V附近的νb。Ti和Au接觸MS參考結的數據也包含在（d–i）中進行比較。
圖6.比較Ti/MoS
2/p-Si和Au/MoS
2/p-Si M2DS結與其他MoS
2基結的基準測試。（a，b）與MS基準結相比，M2DS結中使用MoS
2抑制反向飽和電流并提高整流比。（c） Ti/MoS
2/p-Si和Au/MoS
2/p-Si M2DS結構的二極管行為。插圖：對應的理想因子作為V的函數。這里kB是玻爾茲曼常數，T是溫度。基于固定理想因子計算的J–V特性也用實線表示。（d） 與MoS
2基結相比，最大和最小J隨V的變化表現出操縱電荷輸運的持續能力。（e） G隨整流比的變化說明Ti/MoS
2/p-Si和Au/MoS
2/p-Si M2DS結在保持高G和整流比的情況下具有平衡的性能。此處引用的數據基于每個工作提供的電流-電壓關系的可用性，其不直接反映相應的擊穿電壓。
相關研究成果由微電子研究所
Tibor Grasser、布法羅大學Fei Yao和Huamin Li課題組2025年發表在
ACS Nano (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15271)上。原文：Enormous Out-of-Plane Charge Rectification and Conductance through Two-Dimensional Monolayers
轉自《石墨烯研究》公眾號
