Dual Passivation‐Induced n‐Type Doping, Charge Impurity Screening, and Trap Suppression for Achieving High‐Performance and Reliable WS 2 ‐Based Field‐Effect Transistors and Photodetectors

钝化 材料科学 光电子学 光电探测器 兴奋剂 光电流 肖特基势垒 响应度 场效应晶体管 晶体管 异质结 杂质 原子层沉积 电子迁移率 载流子 光致发光 电子 接触电阻 充电控制 载流子寿命 暗电流
作者
Anand Kumar Rai,Asif A. Shah,Aadil Bashir Dar,S. Tehmeena Andrabi,Mayank Shrivastava
出处
期刊:Advanced materials and technologies [Wiley]
卷期号:11 (11)
标识
DOI:10.1002/admt.202501703
摘要

ABSTRACT WS 2 ‐based field‐effect transistors (FETs), photodetectors, and other devices utilizing the back‐gated (BG) architecture are prone to spontaneous oxidation and adsorption of ambient molecules, degrading their performance and reliability. Also, a significantly high contact resistance (R C ) is another bottleneck limiting their performance. This work addresses these issues by using a dual‐layer passivation technique, which enables n‐type doping, charge impurity screening, and trap suppression in WS 2 , boosting the performance and reliability of WS 2 ‐based FETs and photodetectors. Here, the e‐beam‐evaporated Al 2 O 3 is used as the first passivation layer, which, using the density functional theory (DFT) and Raman and photoluminescence (PL) spectra, is found to induce significant n‐type doping in WS 2 . This doping improves the field‐effect mobility (µ FE ) and R C of WS 2 FETs by shielding the electrons in the FET's channel from coulomb impurities and narrowing the Schottky barrier width, respectively. Further, a second passivation layer of a more uniform atomic layer deposition (ALD)‐deposited Al 2 O 3 is used, which assists in providing effective passivation. Using this technique, the µ FE and R C of WS 2 FETs improved by ∼108% and ∼800%, respectively, enhancing their I ON and I ON /I OFF by ∼700% and ∼2 orders, respectively. Moreover, the photocurrent and responsivity of the WS 2 ‐based photodetector improved by around 178 times.
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