Ambipolar Charge Transport in Two-Dimensional WS2 Metal–Insulator–Semiconductor and Metal–Insulator–Semiconductor Field-Effect Transistors

双极扩散 材料科学 光电子学 错配 半导体 晶体管 场效应晶体管 兴奋剂 CMOS芯片 纳米技术 电子 电气工程 电压 物理 量子力学 工程类
作者
Geonyeop Lee,Sooyeoun Oh,Janghyuk Kim,Jihyun Kim
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (20): 23127-23133 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acsami.0c04297
摘要

Two-dimensional (2D) materials with ambipolar transport characteristics have attracted considerable attention as post-complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) materials. These materials allow for electron- or hole-dominant conduction to be achieved in a single channel of the field-effect transistors (FETs) without an extrinsic doping. In this study, all-2D metal-insulator-semiconductor (MIS)-based devices, which were composed of all-2D graphene, hexagonal boron nitride, and WS2, exhibited ambipolar and symmetrical transport characteristics with a low surface state density (Dit, min ≈ 7 × 1011 cm-2·eV-1). Hole- or electron-dominant inversion under the influence of electrostatic doping was obtained in a WS2-based 2D capacitor up to a frequency range of 1 MHz. n- and p-channel conductions with enhancement-mode operations were selectively realized in a single MISFET, which presented a current on/off ratio of >106 and high field-effect mobility (μe = 58-67 cm2/V·s and μh = 19-30 cm2/V·s). Furthermore, a monolithic CMOS-like logic inverter, which employed a single WS2 flake, exhibited a high gain of 78. These results can be used to reduce the footprints of the device architectures and simplify the device fabrication processes of next-generation CMOS integrated circuits.
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