基于增强电子传输MXene/半导体双层结构的高性能n型薄膜晶体管

福州大学陈惠鹏研究员和厦门理工学院严育杰博士等人在SCIENCE CHINA Materials发表研究论文，提出了一种MXene/半导体双层结构制备n型薄膜晶体管的方法，其中高迁移率和长横向尺寸的MXene纳米片作为主要的电荷传输通道，可显著增强电子传输，成功制备出高性能的n型薄膜晶体管。

有机场效应晶体管是一类界面电荷调控型的半导体器件，即电荷的产生和传输仅在绝缘层与半导体层界面的几个原子层厚度内。因此，该界面特性（包括粗糙度、表面能以及缺陷态密度等）显著影响了场效应晶体管的性能，特别是n型晶体管，这是因为电子比空穴更容易被界面缺陷所捕获，并且对其传输环境更加敏感。进一步优化绝缘层与半导体层界面，对于制备高性能n型晶体管尤为重要。

自组装单分子层（SAM）是广泛使用的调控绝缘层界面特性的有效方法。然而，该方法的处理需要特殊的步骤，往往相对耗时且低效，因而增加器件制备的复杂性。与SAM相比，多层结构的方法是采用相同的制备工艺而无需特殊处理，并且利用多层结构已成功制备出高性能的多功能器件，例如太阳能电池、发光二极管以及发光晶体管等。

近日，福州大学陈惠鹏研究员和厦门理工学院严育杰博士等人设计了一种MXene/半导体双层结构的n型场效应晶体管，如图1所示。局部互连的MXene纳米片（横向平均尺寸达3 µm）作为主要的电荷传输通道，而N2200作为n型半导体层提供电子电荷。

图1. MXene结构表征和MXene/N2200晶体管器件结构示意图

在正栅电压作用下，N2200静电诱导出电子，然后电子在电负性MXene与异质结内建电场的协同作用下从N2200转移至MXene纳米片中。由于MXene纳米通道是高度结晶的二维材料，其具有更少的缺陷和陷阱态，从而显著减少了电子被捕获的几率；同时高迁移率的MXene也有利于电子快速传输至电极。因此，相比于单层N2200和OTS处理的晶体管器件，该MXene/N2200双层结构晶体管表现出明显提高的电学性能，即迁移率增加了100倍，电流开关比达10⁴，亚阈值摆幅达0.65V/dec，如图2所示。

图2. 纯N2200、OTS处理以及MXene/N2200晶体管电学性能对比

该工作为制备高性能n型薄膜晶体管提供了一种新结构，为其在高增益互补逻辑电路中的应用奠定了理论基础。

基金支持：This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (U21A20497 and 61974029), the Natural Science Foundation for Distinguished Young Scholars of Fujian Province (2020J06012), and Fujian Science & Technology Innovation Laboratory for Optoelectronic Information of China (2021ZZ129).

   点击下方“阅读原文”了解详情