鄧文 汪禮勝 劉嘉寧 余雪玲 陳鳳翔

(武漢理工大學(xué)理學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)系,武漢 430070)

記憶晶體管是結(jié)合憶阻器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能且同時(shí)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和信息處理的一種新型多端口器件.本文采用微機(jī)械剝離的多層二硫化鉬(MoS2)制備了場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的背柵記憶晶體管,并系統(tǒng)研究了器件在電場(chǎng)、光場(chǎng)及其協(xié)同調(diào)控下的阻變開(kāi)關(guān)特性和阻變機(jī)理.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,多層MoS2 記憶晶體管具有優(yōu)異的雙極性阻變行為和良好的循環(huán)耐久性.器件在柵壓調(diào)控下,開(kāi)關(guān)比可實(shí)現(xiàn)在100—105 范圍內(nèi)變化,最高可達(dá)1.56 × 105,表明器件具有很強(qiáng)的門(mén)控效應(yīng);在光場(chǎng)調(diào)控下,器件的阻變特性對(duì)光波長(zhǎng)有很強(qiáng)的依賴性;光電協(xié)同調(diào)控時(shí),器件表現(xiàn)出極好的四端口調(diào)控能力,開(kāi)關(guān)比達(dá)4.8 × 104.其阻變特性的機(jī)理可歸因于MoS2 與金屬電極接觸界面電荷俘獲狀態(tài)和肖特基勢(shì)壘高度的變化,以及MoS2 溝道光生載流子引起的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng).

1 引言

憶阻器由于其功耗低、速度快、穩(wěn)定性高,且能同時(shí)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和運(yùn)算等優(yōu)勢(shì),在非易失性存儲(chǔ)、邏輯電路和神經(jīng)突觸等領(lǐng)域具有很大的潛力.金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為數(shù)字集成電路的基本單元,在芯片制造中具有十分重要的作用[1].2018 年,Sangwan 等[2]提出了記憶晶體管的概念,將憶阻器與場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能結(jié)合在以二維半導(dǎo)體材料為溝道的單個(gè)器件中.相比傳統(tǒng)三明治結(jié)構(gòu)的二端口憶阻器,記憶晶體管不僅可以提升器件的阻變性能,還可同時(shí)響應(yīng)漏極和柵極的電信號(hào),以及響應(yīng)照射到器件上的光信號(hào),從而可實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的邏輯運(yùn)算功能.記憶晶體管充分發(fā)揮了憶阻器和晶體管的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì),其作為人工神經(jīng)突觸能實(shí)現(xiàn)豐富的神經(jīng)形態(tài)功能,如元塑性、動(dòng)態(tài)濾波、峰值時(shí)間相關(guān)塑性等.因此,記憶晶體管在非易失性存儲(chǔ)、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等方面有重要的應(yīng)用前景.

目前,二維層狀材料已被認(rèn)為是制備高性能憶阻器最具潛力的一類候選阻變材料,如MoS2[2-5],GaSe[6,7],h-BN[8],In2S3[9],Graphene[10],TiO2[11,12]和WO3[13-15]等.在這些阻變材料中,以MoS2為阻變材料的憶阻器不僅表現(xiàn)出極高的開(kāi)關(guān)比和穩(wěn)定性,而且還展現(xiàn)了良好的非易失存儲(chǔ)特性[16-18].二維半導(dǎo)體材料MoS2由于較高載流子遷移率、合適的帶隙、良好的熱穩(wěn)定性,以及與CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝的良好兼容,現(xiàn)已證明在場(chǎng)效應(yīng)晶體管方面具有突出的優(yōu)勢(shì).如在室溫環(huán)境下開(kāi)關(guān)比超過(guò)108,載流子遷移率達(dá)到700 cm2·V—1·S—1,以及超低亞閾值擺幅[19-21].由于二維層狀MoS2材料具有良好的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì),所以其既可用于憶阻器的阻變材料,又可用于晶體管的溝道材料.2018 年,Sangwan 等[2]首次在Si 襯底上制備出單層MoS2記憶晶體管,該器件有大的開(kāi)關(guān)比、高的循環(huán)耐久性和長(zhǎng)期的狀態(tài)保持能力,并且在單個(gè)阻態(tài)下有4 個(gè)數(shù)量級(jí)的柵極可調(diào)性.2020 年,Lee 等[5]在之前實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上制備了雙柵控制的單層MoS2記憶晶體管陣列,實(shí)現(xiàn)了人工神經(jīng)突觸的模擬,設(shè)計(jì)的雙柵控制結(jié)構(gòu)有助于記憶晶體管在高度規(guī)模化的交叉集成電路中集成.2019 年,四川師范大學(xué)的Yang[6]等采用機(jī)械剝離的GaSe 制備了三端背柵結(jié)構(gòu)的GaSe 記憶晶體管,并且利用Ag 作為電極實(shí)現(xiàn)了器件非易失性的阻態(tài)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)變(開(kāi)關(guān)比達(dá)到5.3 × 105).2019 年,Yin 等[3]利用機(jī)械剝離法制備三層MoS2的記憶晶體管.在電場(chǎng)調(diào)控下,該器件的開(kāi)關(guān)比可實(shí)現(xiàn)極寬的調(diào)諧范圍(100—105);在光場(chǎng)控制下,通過(guò)增加光功率,MoS2記憶晶體管阻變材料的電學(xué)性能會(huì)有極大的提升;當(dāng)光場(chǎng)和電場(chǎng)同時(shí)控制時(shí),器件的開(kāi)關(guān)比可進(jìn)一步得到提升.

盡管單層或少層MoS2記憶晶體管在電場(chǎng)和光場(chǎng)調(diào)制下表現(xiàn)出良好的傳輸特性和阻變開(kāi)關(guān)行為,但可控制備單層或少層MoS2較為困難,并且單層或少層薄膜會(huì)影響MoS2對(duì)光的吸收.相比單層或少層MoS2,多層MoS2具有較高的遷移率和驅(qū)動(dòng)電流,以及適中的禁帶寬度(1.2—1.6 eV)[22,23],而且多層MoS2的本征遷移率不隨厚度發(fā)生變化[24],可減少不同器件間的差異.目前,還鮮有文獻(xiàn)報(bào)道光波長(zhǎng)對(duì)記憶晶體管阻變特性的影響.因此,本文研究多層MoS2記憶晶體管在不同柵電壓、光波長(zhǎng)及其協(xié)同調(diào)控下的阻變開(kāi)關(guān)特性和阻變機(jī)理.研究發(fā)現(xiàn),多層MoS2記憶晶體管在電場(chǎng)和光場(chǎng)調(diào)控下表現(xiàn)出優(yōu)異的阻變特性,且具有更低的功耗和多種的調(diào)控方式.

2 實(shí)驗(yàn)部分

圖1 是多層MoS2背柵記憶晶體管結(jié)構(gòu)的示意圖.器件主要由多層MoS2,300 nm 厚SiO2介質(zhì)層,p+-Si 襯底(背柵電極)和Cr/Au 源漏電極等構(gòu)成,可以通過(guò)調(diào)節(jié)背柵偏壓和頂部光照來(lái)控制器件的阻變特性.MoS2記憶晶體管的制備過(guò)程如圖2所示.首先,采用微機(jī)械剝離法將多層MoS2轉(zhuǎn)移至SiO2/p+-Si 襯底上,其中重?fù)诫s硅襯底也作為背柵記憶晶體管的底柵電極.接著,對(duì)多層MoS2/SiO2/p+-Si 樣品進(jìn)行光刻形成源漏電極圖案.隨后,通過(guò)熱蒸發(fā)相繼蒸鍍15 nm 厚的Cr 金屬膜和50 nm 厚的Au 金屬膜.最后,通過(guò)丙酮lift-off 工藝制備出源漏電極,獲得溝道長(zhǎng)、寬分別為4 和10 μm的Au/Cr/MoS2/Cr/Au 結(jié)構(gòu)的背柵記憶晶體管.

圖1 多層MoS2 記憶晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic diagram of multilayer MoS2 memtransistor.

圖2 多層MoS2 記憶晶體管的制備過(guò)程示意圖Fig.2.Diagram of the preparation processes of multilayer MoS2 memtransistor.

微機(jī)械剝離的多層MoS2的表面形貌由美國(guó)維易科精密儀器有限公司生產(chǎn)的DI Nanoscope Ⅳ原子力顯微鏡測(cè)試.拉曼光譜由法國(guó)HORIBA Scientific 公司生產(chǎn)的LabRAM HR Evolution 光譜儀測(cè)量.多層MoS2記憶晶體管的電學(xué)特性采用美國(guó)Keithley 公司生產(chǎn)的4200A-SCS 參數(shù)分析儀測(cè)試.實(shí)驗(yàn)所用光源為中國(guó)中科微能(北京)科技有限公司生產(chǎn)的CME-TLS-X300F.所有的測(cè)試均在室溫、空氣、電磁屏蔽環(huán)境下進(jìn)行.

3 結(jié)果與分析

3.1 多層MoS2 的形貌與表征分析

圖3(a)是采用原子力顯微鏡(AFM)對(duì)剝離后的MoS2納米片的表面形貌和厚度的表征.從圖3(a)可以看出,多層MoS2厚度約為7 nm,且表面平整均勻,表明微機(jī)械剝離轉(zhuǎn)移的MoS2具有良好的表面形貌[25].圖3(b)是多層MoS2的拉曼光譜,激光波長(zhǎng)為532 nm.圖中顯示MoS2的A1g模和模的特征峰分別位于402 和378 cm—1,與文獻(xiàn)[26]中具有相似的結(jié)果.MoS2的層數(shù)與A1g模和模頻率有關(guān),層數(shù)越多兩個(gè)特征峰之間的差值越大.本文樣品的峰位差為24 cm—1,由此也可以證實(shí)微機(jī)械剝離轉(zhuǎn)移的是多層MoS2.

圖3(a) 多層MoS2 的AFM 圖像;(b) 多層MoS2 的拉曼光譜Fig.3.(a) AFM image of multilayer MoS2 ;(b) Raman spectrum of multilayer MoS2.

3.2 器件的電場(chǎng)調(diào)控及阻變開(kāi)關(guān)機(jī)制

圖4(a)是MoS2記憶晶體管柵壓為0 V 時(shí),施加5 V 至 —5 V 漏源電壓雙向掃描的Id-Vds特性曲線,圖中箭頭方向表示掃描電壓順序.從圖4(a)可以看出,器件表現(xiàn)出明顯的阻變特性,而且在漏源正向電壓下測(cè)得的Id-Vds特性曲線更好.圖4(a)中插圖顯示器件源、漏電極交換測(cè)試的Id-Vds特性曲線,兩條曲線差異極小,說(shuō)明交換源、漏電極測(cè)試不會(huì)對(duì)器件的阻變性能產(chǎn)生影響.當(dāng)掃描電壓順序?yàn)? V→+5 V 時(shí),記憶晶體管的初始阻態(tài)因源漏電極與MoS2之間形成的肖特基勢(shì)壘很高[3],接觸電阻很大,表現(xiàn)為高阻態(tài)(HRS).施加正向源漏電壓時(shí),由于MoS2材料中存在的S 空位以及在轉(zhuǎn)移和光刻過(guò)程中引入一些雜質(zhì)缺陷,電子會(huì)被俘獲填充到這些缺陷中直至飽和[4,27],器件電阻保持HRS 不變.隨著掃描電壓的增大,會(huì)導(dǎo)致源漏電極/n-MoS2界面處肖特基勢(shì)壘高度逐漸降低,且由電流產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)導(dǎo)致更多的電子穿過(guò)界面勢(shì)壘[3],器件電流急劇增大,在設(shè)置電壓Vset=5 V 時(shí)器件阻態(tài)從HRS 轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)(LRS).之后,在+5 V→0 V 的掃描過(guò)程中,器件的阻態(tài)一直保持LRS,并且隨掃描電壓的降低器件的電流變化緩慢,表明器件的阻變特性是非易失性的,在Vds=0.6 V 器件的高低阻態(tài)開(kāi)關(guān)比達(dá)到最大值(約103).當(dāng)0 V→—5 V反向電壓掃描時(shí),記憶晶體管維持LRS 不變,當(dāng)反向掃描電壓增加到—5 V 時(shí),導(dǎo)致器件的阻態(tài)從LRS 重置為HRS.在—5 V→0 V 的掃描過(guò)程中,器件的阻態(tài)一直保持HRS.由此可見(jiàn),制備的多層MoS2記憶晶體管表現(xiàn)出良好的非易失性雙極性阻變特性,與文獻(xiàn)[2]報(bào)道的器件具有類似的阻變行為.從圖4(a)還可以看出,相比于漏源電壓負(fù)向掃描,在正向壓掃描時(shí)器件的電流開(kāi)關(guān)比更大,阻變特性更好.

圖4 在0 V 柵壓時(shí)多層MoS2 記憶晶體管的阻變特性 (a) 5 V至—5 V 源漏電壓掃描下器件Id-Vds 曲線(插圖:器件在源極和漏極交換測(cè)試前后的Ids-Vds 曲線);(b) 連續(xù)125 個(gè)循環(huán)中器件在Vds=0.6 V 時(shí)高低阻態(tài)的阻值變化;(c)器件在室溫下高低阻態(tài)保持特性圖Fig.4.Resistance characteristics of multilayer MoS2 memtransistor at Vg=0 V:(a) Id-Vds characteristic of the device at cyclic sweeping of the Vds from 5 to —5 V (Inset:the Ids-Vds curves of the device before and after the sourcedrain electrode is exchanged);(b) the resistances of the device in high and low resistance states at Vds=0.6 V during 125 cycles;(c) switching retention characteristics of the device at room temperature.

為了研究多層MoS2記憶晶體管的穩(wěn)定性,對(duì)器件進(jìn)行了125 次周期循環(huán)漏源電壓掃描測(cè)試.圖4(b)給出了Vds掃描電壓在5 V 至 —5 V 范圍內(nèi),器件在125 個(gè)周期循環(huán)測(cè)試中Vds=0.6 V 時(shí)高低阻態(tài)的電阻值.從圖4(b)可以看出,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,高低電阻值略微有上升趨勢(shì),但總體保持穩(wěn)定.在經(jīng)過(guò)125 個(gè)周期循環(huán)后,器件的電阻開(kāi)關(guān)比仍然保持在103左右.圖4(c)為MoS2記憶晶體管在室溫下高低阻態(tài)的保持特性(器件電阻的讀取電壓為0.6 V),HRS 和LRS 阻值隨時(shí)間保持穩(wěn)定,但與圖4(a)相比,器件在放置一段時(shí)間后,保持特性測(cè)試的高低阻態(tài)的阻值均有輕微降低,可能是未封裝的器件在空氣環(huán)境下放置一段時(shí)間后其內(nèi)部部分材料性能退化引起的.在3500 s 的時(shí)間內(nèi),器件開(kāi)關(guān)比始終還維持在103左右,表明該記憶晶體管在連續(xù)工作的模式下具有良好的穩(wěn)定性和耐久性.

圖5(a)是負(fù)柵壓調(diào)控下MoS2記憶晶體管的Id-Vds特性曲線,圖中箭頭方向?yàn)槭┘? V 至 —5 V漏源電壓雙向掃描方向,器件表現(xiàn)出非易失性雙極性阻變行為.相對(duì)于零柵壓(如圖4(a)),Id-Vds曲線整體會(huì)向低電流方向移動(dòng),反映了高低阻態(tài)的阻值隨負(fù)柵極電壓的增加而增加,其原因在于負(fù)柵壓會(huì)導(dǎo)致源漏電極/n-MoS2界面處肖特基勢(shì)壘高度的增加[2,3],大大降低了MoS2溝道內(nèi)的電子濃度,從而導(dǎo)致HRS 和LRS 的電阻增加.當(dāng)Vds在0 V→+5 V→0 V 掃描,Vg=—3,—5,—7 V 時(shí),器件的LRS電流降低至10—14A 量級(jí),導(dǎo)致開(kāi)關(guān)比隨負(fù)柵極電壓的增加嚴(yán)重降低,在Vds=0.6 V 時(shí)開(kāi)關(guān)比甚至接近1.隨著負(fù)柵壓的增加,當(dāng)漏源電壓0 V→—5 V→0 V 反向掃描時(shí),LRS 的Id逐漸降低,HRS的Id幾乎趨于相同變化,導(dǎo)致器件在Vds為負(fù)值時(shí)的開(kāi)關(guān)比逐漸減小.

圖5 不同柵壓下多層MoS2 記憶晶體管的阻變特性 (a) 柵壓Vg=—1,—3,—5,—7 V 時(shí)的Id-Vds 曲線;(b) 柵壓Vg=0,5,10,15,20 V 時(shí)的Id-Vds 曲線Fig.5.Resistance characteristics of multilayer MoS2 memtransistor under different gate voltages:(a) Id-Vds characteristics of the device at Vg=—1,—3,—5,—7 V;(b) Id-Vds characteristics of the device at Vg=0,5,10,15,20 V.

圖5(b)是正柵壓調(diào)控下MoS2記憶晶體管的阻變特性.相對(duì)于負(fù)柵壓(如圖5(a)),隨著正柵壓的增加,當(dāng)漏源電壓0 V→—5 V→0 V 反向掃描時(shí),LRS 的Id幾乎不變化,HRS 的Id逐漸增加.隨著正柵壓的增加,器件在Vds為負(fù)值時(shí)的開(kāi)關(guān)比逐漸減小.而當(dāng)Vds在0 V→+5 V→0 V 掃描時(shí),器件的HRS 和LRS 的Id都相應(yīng)增加,其原因在于正柵壓會(huì)抑制源漏電極/n-MoS2界面處的肖特基勢(shì)壘,引起MoS2溝道內(nèi)的電子濃度大大提高.當(dāng)正柵壓不太高(Vg≤ 7 V)時(shí),正柵壓對(duì)器件的LRS影響更大,LRS 的Id相對(duì)HRS 的Id上升得更顯著[2,3],導(dǎo)致器件的電阻開(kāi)關(guān)比隨正柵壓的增加而增加.當(dāng)正柵壓較大(Vg≥ 10 V)時(shí),隨著正柵壓的增加,HRS 的Id上升得也很顯著,甚至?xí)^(guò)LRS 的Id上升幅度,導(dǎo)致器件的電阻開(kāi)關(guān)比隨正柵壓的增加反而會(huì)緩慢減小.

表1 列出了柵壓從0 V 增加到20 V 時(shí)器件在Vds=0.6 V 時(shí)HRS 和LRS 的阻值和開(kāi)關(guān)比.當(dāng)柵壓Vg從0 V 增加至7 V,HRS 電阻由1.82 ×1013Ω 變化至7.40 × 1012Ω,LRS 電阻由1.08 ×1010Ω 變化至4.74 × 107Ω,相應(yīng)開(kāi)關(guān)比由103增加至105.繼續(xù)增大正柵壓,HRS 和LRS 的阻值進(jìn)一步降低,器件的開(kāi)關(guān)比緩慢減小,但基本保持在105數(shù)量級(jí).這表明在多層MoS2記憶晶體管的背柵施加正柵壓時(shí),會(huì)引起MoS2溝道內(nèi)電子濃度的提升,導(dǎo)致器件在LRS 和HRS 的電阻降低,但不同正柵壓對(duì)于HRS 和LRS 的影響程度不同.當(dāng)Vg=0—7 V 時(shí),HRS 對(duì)柵壓不敏感,其阻值變化很小,而LRS 的阻值會(huì)隨Vg的增加而顯著減小,從而引起開(kāi)關(guān)比的極大提升,當(dāng)Vg=7 V 時(shí)開(kāi)關(guān)比最大達(dá)1.56 × 105;當(dāng)Vg＞ 7 V 時(shí),電阻開(kāi)關(guān)比緩慢減小,基本保持在105量級(jí).由于記憶晶體管的阻變材料是多層MoS2,相比于單層MoS2而言,多層MoS2不僅有著更低的禁帶寬度和較高的載流子濃度,而且界面質(zhì)量對(duì)于器件的影響也相對(duì)較小.因此,多層MoS2記憶晶體管僅需+5 V 的設(shè)置電壓和—5 V 的重置電壓,便可完成HRS 與LRS之間的相互轉(zhuǎn)變;在正向柵壓調(diào)控時(shí),較低的調(diào)控電壓可使器件溝道內(nèi)的載流子濃度極大提高,導(dǎo)致開(kāi)關(guān)比的提升超過(guò)100 倍(在Vg=7 V 時(shí)開(kāi)關(guān)比達(dá)1.56 × 105).相比文獻(xiàn)[2]報(bào)道的單層MoS2記憶晶體管,設(shè)置/重置電壓±80 V,Vg=40 V 時(shí)開(kāi)關(guān)比才約達(dá)102,本文所制備的多層MoS2記憶晶體管不僅具有低的設(shè)置/重置電壓,還表現(xiàn)出柵極電壓對(duì)器件電阻開(kāi)關(guān)比的寬范圍(100—105)調(diào)控.

表1 不同正柵壓下器件的性能參數(shù)比較Table 1.Performance parameters of the device at different forward gate voltages.

3.3 器件的光場(chǎng)和電場(chǎng)協(xié)同調(diào)控

圖6(a)是背柵電壓為0 V 時(shí),不同波長(zhǎng)的光(各波長(zhǎng)功率均為1.2 mW)照射下多層MoS2記憶晶體管的Id-Vds特性曲線,Vds掃描順序?yàn)? V→+5 V→0 V→—5 V→0 V.當(dāng)波長(zhǎng)為200 nm 光照射時(shí),器件的HRS 和LRS 的阻態(tài)轉(zhuǎn)變表現(xiàn)出了很明顯的雙極性阻變行為,但與無(wú)光照時(shí)(如圖4(a)所示)相比,循環(huán)掃描回滯減小顯著;波長(zhǎng)為400和600 nm 光照射時(shí),HRS 和LRS 的阻態(tài)轉(zhuǎn)變與無(wú)光照時(shí)相比有較大差異.當(dāng)Vds由0 V→+5 V掃描時(shí)器件逐漸從HRS 切換到LRS,并在向0 V回掃時(shí)保持LRS,但在Vds由0 V→—5 V 掃描時(shí),器件切換到HRS,隨著反向電壓增大到—5 V 時(shí),又切換到LRS,隨后在—5 V→0 V 回掃時(shí)器件保持LRS.這表明400 和 600 nm 光照射時(shí),器件的阻變行為由雙極性轉(zhuǎn)變成單極性.從圖6(a)還可以看出,此波長(zhǎng)的光照射時(shí),器件的電阻開(kāi)關(guān)比很小.當(dāng)入射光的波長(zhǎng)由800 nm 增加到1200 nm時(shí),器件的阻變行為又從單極性轉(zhuǎn)變成雙極性,且開(kāi)關(guān)比又逐漸增加.

圖6 光場(chǎng)調(diào)控多層MoS2 記憶晶體管的阻變特性 (a) 不同波長(zhǎng)光照射時(shí)器件的Id-Vds 曲線;(b) 不同波長(zhǎng)光照射時(shí)器件的高低阻態(tài)阻值及開(kāi)關(guān)比的變化Fig.6.Resistance characteristics of multilayer MoS2 memtransistor under the control of the light field:(a) Id-Vds characteristics of the device under different wavelength illumination;(b) the resistances of the device in high and low resistance states and the corresponding ON/OFF radio under different wavelength illumination.

圖6(b)是不同波長(zhǎng)光照射下(各波長(zhǎng)功率均為1.2 mW),漏源電壓Vds=0.6 V 時(shí)器件的高低阻態(tài)阻值及開(kāi)關(guān)比的變化.可以看出在λ≤ 600 nm時(shí)器件HRS 和LRS 的阻值相比無(wú)光照時(shí)(高/低電阻為1.83 × 1012Ω/ 2.05 × 1010Ω)均有一定幅度的降低,尤其是在入射波長(zhǎng)為400 和 600 nm時(shí),HRS 和LRS 的阻值降低至106Ω 左右.器件阻變行為受光場(chǎng)調(diào)控的影響,主要?dú)w因于光電導(dǎo)效應(yīng)(PCE)[28].多層MoS2具有適中的帶隙(1.2—1.6 eV)和對(duì)紫外光、可見(jiàn)光有較強(qiáng)的吸收,導(dǎo)致光照射到多層MoS2時(shí)產(chǎn)生大量的自由載流子被金屬電極/MoS2的界面缺陷俘獲,從而極大地降低了肖特基勢(shì)壘的高度.在PCE 作用下器件的HRS和LRS 阻值迅速降低,導(dǎo)致開(kāi)關(guān)比急劇減小.當(dāng)入射波長(zhǎng)大于800 nm 時(shí),HRS 和LRS 的阻值逐漸增加.當(dāng)入射波長(zhǎng)增大至1200 nm 時(shí),器件的高低阻態(tài)與無(wú)光照時(shí)相當(dāng),開(kāi)關(guān)比增至103.其原因在于MoS2阻變層對(duì)紅外波段的光吸收隨著波長(zhǎng)的增大而逐漸減弱,導(dǎo)致阻變層電導(dǎo)率的逐漸減小;而且隨著光波長(zhǎng)的增加,光子的能量降低,導(dǎo)致光子激發(fā)的電子-空穴對(duì)隨之減少,從而引起高低阻態(tài)的電阻逐漸增大,但與LRS 阻變相比,器件在HRS 時(shí)的阻值增加更快.因而,在紅外光波照射時(shí),隨著光波長(zhǎng)的增加,器件的電阻開(kāi)關(guān)比增加.

圖7 是光場(chǎng)和電場(chǎng)協(xié)同調(diào)控MoS2記憶晶體管的阻變特性.入射光的波長(zhǎng)分別為200,400 和800 nm,入射功率均為1.2 mW.從圖7 可以看出,當(dāng)入射光波長(zhǎng)為200 nm 時(shí),多層MoS2對(duì)其光吸收較強(qiáng),導(dǎo)致溝道內(nèi)光生載流子的濃度迅速升高,從而在器件的高低阻態(tài)產(chǎn)生較高電流,引起開(kāi)關(guān)比的嚴(yán)重減小;此外,HRS 和LRS 對(duì)不同正柵壓的響應(yīng)程度不同,在正柵壓下,MoS2溝道內(nèi)的電子濃度增加,且源漏電極處肖特基勢(shì)壘被抑制.當(dāng)柵壓在0—15 V 時(shí),柵壓對(duì)HRS 影響很微弱,其阻值幾乎保持不變.但柵壓對(duì)LRS 影響很顯著,其阻值從4.9 × 108Ω 降低至3.1×106Ω.因此,開(kāi)關(guān)比隨正向柵壓的增大而增大,當(dāng)柵壓增至15 V 時(shí)開(kāi)關(guān)比接近103;當(dāng)繼續(xù)增加?xùn)艍褐?0 V 時(shí),溝道內(nèi)載流子濃度趨于飽和,柵壓對(duì)HRS 和LRS 的調(diào)控能力減弱,器件開(kāi)關(guān)比基本保持穩(wěn)定;當(dāng)加負(fù)柵壓時(shí),隨著負(fù)柵壓的增加,溝道載流子濃度持續(xù)減小,HRS 和LRS 阻值增大,器件的開(kāi)關(guān)比降低(＜ 2.6).當(dāng)入射光波長(zhǎng)為400 nm 時(shí),由于MoS2對(duì)光的強(qiáng)烈吸收,導(dǎo)致溝道內(nèi)光生載流子濃度很高,從而在正負(fù)柵壓下HRS 和LRS 的電流都很大,器件的開(kāi)關(guān)比變得很小(＜ 2.20).當(dāng)入射光波長(zhǎng)增大至800 nm 時(shí),由于MoS2對(duì)長(zhǎng)波光的吸收逐漸減弱,溝道載流子濃度逐漸降低,導(dǎo)致高/低電阻升高至4.12 × 1012Ω/ 8.24 × 109Ω.在負(fù)柵壓調(diào)控下,此時(shí)光照對(duì)器件的影響極小,且負(fù)柵壓逐漸增大會(huì)引起源漏電極/n-MoS2界面處肖特基勢(shì)壘高度的增加,導(dǎo)致HRS 和LRS 電阻略有增加.但在正柵壓的調(diào)控下,器件的LRS 阻值(相比于零柵壓時(shí))急劇減小,而HRS 對(duì)柵壓不敏感.因此,在20 V 的正柵壓下開(kāi)關(guān)比達(dá)4.8 × 104.相比僅正柵壓調(diào)控,器件的開(kāi)關(guān)比雖略有下降,但可實(shí)現(xiàn)光波長(zhǎng)對(duì)器件的阻變特性調(diào)控,增加了器件的調(diào)控手段.

圖7 波長(zhǎng)為200,400 和800 nm 光照射時(shí),器件高低阻態(tài)的阻值隨柵壓的變化(a)和電阻開(kāi)關(guān)比隨柵壓的變化(b)Fig.7.For incident light with 200,400 and 800 nm wavelengths,(a) the resistances of the device versus Vg in high and low resistance states and (b) the ON/OFF radio versus Vg.

最后,為了分析器件之間的性能差異,在相同工藝下制備了2#和3#器件,并與1#器件(圖1—圖7 的測(cè)試器件)進(jìn)行比較.由圖8(a)可知,所有器件在Vg＞ 0 V 時(shí)開(kāi)關(guān)比均有一定提升;在Vg＜0 V 時(shí)開(kāi)關(guān)比隨負(fù)柵壓呈急劇降低趨勢(shì).這種變化趨勢(shì)與圖5(a)和圖5(b)中基本一致,均是正負(fù)柵壓對(duì)源漏電極/n-MoS2界面處肖特基勢(shì)壘高度的調(diào)制而引起的.圖8(b)顯示了在不同波長(zhǎng)光照下器件開(kāi)關(guān)比的變化(光照功率保持在1.2 mW),研究表明光照的波長(zhǎng)對(duì)器件的阻變行為有強(qiáng)烈的調(diào)控能力,可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)比在較寬范圍內(nèi)變化.圖8(c)則給出了3 個(gè)器件在光場(chǎng)和電場(chǎng)協(xié)同調(diào)控下的阻變特性,入射光的波長(zhǎng)分別為200,400 和800 nm,功率均為1.2 mW.可以發(fā)現(xiàn)在不同波長(zhǎng)和柵壓組合調(diào)控下器件的開(kāi)關(guān)比均可實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)節(jié),且光場(chǎng)和電場(chǎng)組合調(diào)控對(duì)3 個(gè)器件的影響趨勢(shì)基本一致.綜合圖8 結(jié)果可知,不同器件之間開(kāi)關(guān)比的差異,可以歸因于微機(jī)械剝離轉(zhuǎn)移得到的多層MoS2厚度和寬度有細(xì)微偏差,以及在轉(zhuǎn)移、光刻中引入的雜質(zhì)缺陷具有不確定性等.以上分析表明,多層MoS2記憶晶體管具有良好的均一性,并且在電場(chǎng)、光場(chǎng)以及組合調(diào)控時(shí)3 個(gè)器件阻變性能的變化趨勢(shì)基本一致.

圖8 不同器件之間的性能對(duì)比 (a) 器件在不同柵壓下開(kāi)關(guān)比的變化;(b) 器件在不同波長(zhǎng)下開(kāi)關(guān)比的變化;(c) 器件在200,400 和800 nm 光照射時(shí),開(kāi)關(guān)比隨柵壓的變化Fig.8.Performance comparison between different devices:(a) Switching ratio of the devices under different gate voltages; (b) switching ratio of devices at different wavelengths;(c) switching ratio varies with gate voltages at illumination wavelengths of 200,400 and 800 nm.

4 結(jié)論

本文通過(guò)微機(jī)械剝離法在SiO2/Si 襯底上制備了基于多層MoS2溝道材料的Au/Cr/MoS2/Cr/Au 背柵記憶晶體管,系統(tǒng)研究了電場(chǎng)、光場(chǎng)及其協(xié)同調(diào)制下器件的阻變開(kāi)關(guān)特性和阻變機(jī)制.研究結(jié)果表明,多層MoS2記憶晶體管在電場(chǎng)調(diào)控下顯示出非易失性雙極性阻變行為,通過(guò)調(diào)節(jié)柵壓范圍(—7—+20 V),器件的開(kāi)關(guān)比可實(shí)現(xiàn)大范圍(100—105)調(diào)控,器件在125 次循環(huán)測(cè)試和3500 s 阻變保持測(cè)試中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和耐久性.在光場(chǎng)調(diào)控下,MoS2記憶晶體管可通過(guò)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)實(shí)現(xiàn)阻變特性在單極性和雙極性之間轉(zhuǎn)換,以及較大范圍內(nèi)調(diào)制開(kāi)關(guān)比(100—103).在光場(chǎng)和電場(chǎng)協(xié)同調(diào)控下,器件開(kāi)關(guān)比的調(diào)制范圍增至100—4.8 × 104,表現(xiàn)出良好的開(kāi)關(guān)特性和多端口調(diào)控能力.其光電協(xié)控的良好阻變開(kāi)關(guān)特性可歸因于源漏電極/n-MoS2界面處電荷俘獲狀態(tài)和肖特基勢(shì)壘高度的變化,以及光生載流子引起的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng).最后,對(duì)相同工藝下制備的3 個(gè)多層MoS2記憶晶體管的電性能進(jìn)行了測(cè)試分析,發(fā)現(xiàn)在電場(chǎng)、光場(chǎng)以及組合調(diào)控時(shí)3 個(gè)器件的阻變性能的變化趨勢(shì)基本一致,表明器件具有良好的均一性.因此,低功耗、高穩(wěn)定、光電協(xié)控的多層MoS2記憶晶體管不僅可以在光電多功能集成和更復(fù)雜存儲(chǔ)器件的運(yùn)算中展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì),而且在存算一體化和神經(jīng)突觸模擬等領(lǐng)域也具有潛在的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值.