Synergistic Engineering of Top Gate Stack for Low Hysteresis 2D MoS2 Transistors

材料科学 晶体管 栅极电介质 CMOS芯片 光电子学 电介质 响应度 半导体 场效应晶体管 阈值电压 纳米技术 电气工程 光电探测器 电压 工程类
作者
Chuming Sheng,Xinyu Wang,Xiangqi Dong,Yan Hu,Yuxuan Zhu,Dié Wang,Saifei Gou,Qicheng Sun,Zhejia Zhang,Jinshu Zhang,Mingrui Ao,Haojie Chen,Yuchen Tian,Jieya Shang,Yufei Song,Xinliu He,Zihan Xu,Lin Li,Peng Zhou,Wenzhong Bao
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (29) 被引量:7
标识
DOI:10.1002/adfm.202400008
摘要

Abstract 2D semiconductors have emerged as candidates for next‐generation electronics. However, previously reported 2D transistors which typically employ the gate‐first process to fabricate a back‐gate (BG) configuration while neglecting the thorough impact on the dielectric capping layer, are severely constrained in large‐scale manufacturing and compatibility with complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) technology. In this study, dual‐gate (DG) field‐effect transistors have been realized based on wafer‐scale monolayer MoS 2 and the gate‐last processing, which avoids the transfer process and utilizes an optimized top‐gate (TG) dielectric stack, rendering it highly compatible with CMOS technology. Subsequently, the physical mechanism of TG dielectric deposition and the corresponding controllable threshold voltage ( V TH ) shift is investigated. Then the fabricated TG‐devices with a large on/off ratio up to 1.7 × 10 9 , negligible hysteresis (≈14 mV), and favorable stability. Additionally, encapsulated TG structured photodetectors have been demonstrated which exhibit photo responsivity ( R ) up to 9.39 × 10 3 A W −1 and detectivity ( D * ) ≈2.13 × 10 13 Jones. The result paves the way for future CMOS‐compatible integration of 2D semiconductors for complex multifunctional IC applications.
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