新兴的二维 （2D） 材料与成熟的三维 （3D） 硅基半导体技术的非均相集成为未来高能效、功能丰富的纳米电子器件的发展提供了一种有前途的方法。在这项研究中，我们设计了一种混合维结结构，其中 2D 单层（例如石墨烯、MoS₂ 和 h-BN）夹在金属（例如钛、金和钯）和 3D 半导体（例如，p-Si）之间，以研究仅在面外 （OoP） 方向上的电荷传输特性。比较评估了 2D 单层作为 OoP 金属-半导体电荷注入势垒或 OoP 半导体-金属电荷收集势垒的作用。与单层石墨烯相比，单层 MoS₂ 和 h-BN 通过势垒隧穿效应有效调节 OoP 金属到半导体的电荷注入。它们的有效 OoP 电阻和电阻率是使用串联电阻器模型提取的。有趣的是，当用作半导体-金属电荷收集屏障时，当施加高 OoP 电压（大于内置电压）时，所有 2D 单层都变得电子“透明”（接近零电阻）。作为混合尺寸集成二极管，Ti/MoS₂/p-Si 和 Au/MoS₂/p-Si 配置表现出高 OoP 整流比 （5.4 × 10⁴） 和电导 （1.3 × 10⁵ S/m²）。本研究的工作展示了 2D/3D 界面上的可调 OoP 电荷传输特性，表明了 2D/3D 异构集成的机会，即使是低于 1 nm 厚的 2D 单层，也可以增强现代硅基电子设备。
 
 
 
图1. M2DS 异质结以 OoP 载流子为主，通过具有各种金属接触（即 Ti、Au 和 Pd）的 2D 单层（即 Gr、MoS2 和 h-BN）传输。（a） 示意图、显微镜图像（比例尺：300 μm）和沿 M2DS 垂直堆栈的能带图。这里 E_vac、E_F、E_C 和 E_V 分别表示真空的能级、费米能、导带最小值和价带最大值。还包括 2D 单层的拉曼光谱（波长：514 nm），其中显示了每种 2D 材料的特征模式。（b） M2DS 结的能带图说明了 Gr 积分的能量匹配效应以及 MoS₂ 和 h-BN 积分的势垒隧穿效应。假设混合金属接触，因此不涉及 vdW 间隙。（c） Ti 诱导的杂化金属与 2D 单层 MoS₂ 的接触示意图，与 Au 和 Pd 诱导的 vdW 金属接触的比较。
 
  
  
图2. 比较M2DS结和参考MS结的不同配置的J–V特性。（a） Ti、Au和Pd接触M2DS和MS组态的半对数J–V特性。在V<0 V时通过顶部M2DS和MS结注入空穴，在V>0 V时通过顶部电极收集空穴。蓝色箭头指示M2DS结中采用不同2D单分子膜的调谐范围。（b） V<0 V（左）和V<0 V（右）时，Ti、Au和Pd触点M2DS和MS配置的对数J–V特性。欧姆、TFL和SCL传输区由拟合斜率确定。统计分析基于每种类型的20个设备，误差条表示设备之间的偏差。
 
 

图3. 利用不同的金属功函数和二维单分子膜（a–c）J对通过M2DS和MS结的空穴收集（V=20 V，顶部）和空穴注入（V=−20 V，底部）的OoP载流子传输进行操纵，并绘制为金属功函数、二维单分子膜带隙和EOT的函数。（b，c）中的虚线表示MS参考连接。（d，e）映射J作为金属功函数和2D单层带隙的函数，揭示了V=20 V时2D单层的电子透明度和V=−20 V时的电子不透明度。（f–h）映射各种金属功函数、2D单层带隙和EOT的整流比，以及它们作为施加V（±2 mV、±0.2 V和±20 V）的函数的演化。
 
 

图4. M2DS结中2D单分子膜的有效OoP电阻和电阻率。（a） 在M2DS结中串联电阻以提取R_2D的模型。（b，c）对于Ti和Au接触M2DS配置，提取的R_2D作为V的函数。实线和点线分别表示正R_2D和负R_2D。（d，e）对于Ti-和Au-接触M2DS配置，提取的ρOoP作为V的函数。（f，g）比较了提取的ρOoP与单层Gr、MoS₂和h-BN的ρ_IP的一般值，显示了OoP电荷通过二维单层膜传输的宽调谐范围。
 
 
 
图5.M2DS结中的势垒隧穿。（a，b）以MoS₂积分为例的Ti和Au接触M2DS结和参考MS结的示意图，以及平衡条件下的相应能带图。（c） 计算了MoS₂和h-BN集成层的量子隧穿几率随电子能量的变化。比较了杂化和vdW间隙金属接触。（d–g）ln（J/V2）与ln（1/V）特性说明了Ti和Au接触M2DS配置的DT和热离子发射载流子输运。（d–g）：ln（J/V2）与1/V特性的插图说明了MoS₂和h-BN集成M2DS配置的FNT载流子传输。（h，i）使用温度变量Arrhenius方法提取零V附近的νb。Ti和Au接触MS参考结的数据也包含在（d–i）中进行比较。
 
 

图6.比较Ti/MoS₂/p-Si和Au/MoS₂/p-Si M2DS结与其他MoS₂基结的基准测试。（a，b）与MS基准结相比，M2DS结中使用MoS₂抑制反向饱和电流并提高整流比。（c） Ti/MoS₂/p-Si和Au/MoS₂/p-Si M2DS结构的二极管行为。插图：对应的理想因子作为V的函数。这里kB是玻尔兹曼常数，T是温度。基于固定理想因子计算的J–V特性也用实线表示。（d） 与MoS₂基结相比，最大和最小J随V的变化表现出操纵电荷输运的持续能力。（e） G随整流比的变化说明Ti/MoS₂/p-Si和Au/MoS₂/p-Si M2DS结在保持高G和整流比的情况下具有平衡的性能。此处引用的数据基于每个工作提供的电流-电压关系的可用性，其不直接反映相应的击穿电压。
 
       相关研究成果由微电子研究所Tibor Grasser、布法罗大学Fei Yao和Huamin Li课题组2025年发表在ACS Nano (链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15271)上。原文：Enormous Out-of-Plane Charge Rectification and Conductance through Two-Dimensional Monolayers

转自《石墨烯研究》公众号