随着二维（2D）材料和纳米电子学的兴起，对硅技术的兼容工艺的要求越来越高，以实现更优越的器件功能。在本文中，我们利用O2等离子体作为一种修饰可调的方法，在二维WSe2中进行阴离子替代掺杂。通过引入WOx层，实现了中等掺杂甚至简并掺杂来增强WSe2中的空穴输运。结合二维MoS2，在能带结构和电荷输运两个方面研究了二维非均匀结的演化，并作为应用电场的函数。非均匀的WSe2/MoS2结可以作为二维非均匀结，表现出异常和良好的平衡性能，包括优越的峰谷比为2.4×105和55 nA/μm的高电流密度。这项工作突出了二维材料及其工程的巨大潜力，与现有的半导体技术无缝集成，并提高未来纳米电子学研究的效率。
拉曼在利用等离子体修饰改性二维材料中的应用
引言：随着三维（3D）硅基互补金属氧化物半导体（cmos）技术接近通道长度的小型化限制，二维半导体如过渡金属二卤化合物（TMDs，如二硫化钼和WSe2）、金属单硫化合物（MMC，如 InSe和GeSe）、元素半导体（如硅、锗和磷）和金属氧化物（MO，如氧化铜和氧化亚锡）被认为是下一代节能纳米电子的前途性通道材料。与此同时，随着越来越多的二维材料被发现，这些丰富多样的层状材料家族具有与硅相当或优越的电子特性，如晶格常数、带隙、有效质量、载流子迁移率、饱和速度和临界电场。由于这些优点，基于二维半导体的新型场效应晶体管（FETs）概念已经被提出和证明。以zui具代表性的二维半导体MoS2为例，这些晶体管原型包括超短通道（FETs）、隧道（FETs）、铁电（FETs）、负电容（FETs）、狄拉克源或冷源（FETs）、相变（FETs）、丝状（FETs）、自旋（FETs）、电子（FETs）、双极（FETs）、反双极（FETs）等。
等离子体处理是一种可靠、兼容、有效的实现这些二维晶体管的特定功能，提高器件的性能方法。由电子组成，离子、激发分子和自由基、等离子体作为物质的第四态，可以通过不同的物理和化学机制与二维材料相互作用，产生材料性质的各种变化，包括稀薄的蚀刻诱导、电子或空穴掺杂、相变、空位愈合和钝化等。这些相互作用可以通过一系列参数来很好地控制，包括等离子体源、气体、压力、频率、功率和时间。特别是对具有超高的二维表体积比在材料中，与三维大块材料的情况相比，等离子体处理的影响更显著和有效。以二维WSe2上进行O2等离子体处理为例，该过程可以形成表面氧化物层（WOx，x近似于3），产生空穴掺杂效应，从而提供了多种好处，如原子级刻蚀，抑制接触电阻，改进晶体管性能，提高灵敏度光检测，和结结构的形成。特别是在结的形成方面，平面内均匀结和平面外非均匀结结构都被提出用于器件的应用。然而，作为O2等离子体处理的功能的能带结构、界面态和相应的载流子输运的演化尚未被明确揭示。随着外加电场（垂直于或沿着结界面），这些变化及其对器件操作和性能的影响变得更加复杂，限制了通过O2等离子体处理的二维纳米电子学的设计和实现。
在这项工作中，我们利用CMOS兼容的O2等离子体处理作为二维WSe2的有效阴离子掺杂方法，证明了WSe2/MoS2结作为一种具有优异的反双极性FET性能。与传统的双极性FETs相比，主要载流子在电子和空穴之间切换，反双极性FETs的则是通过电子和空穴分支收敛以实现中间栅极电压下的峰值电导率。对于二维材料，反双极性电荷输运可以在二维/二维或混合维非均匀结构中实现。在这里，我们利用了一种新型的等离子体诱导氧化和掺杂，通过中等甚至简并掺杂，实现了WSe2中空穴输运的可控增强。通过结合二维MoS2主导电子传输以及应用平面内和平面外电场，可以得到二维非均匀能带结构的演变的结，和相应的电荷（福勒-诺德海姆（FN）隧道）运输。作为一种反双极性场效应晶体管，我们的原型器件表现出卓越和平衡的性能，包括优越的峰谷比（PVR，2.4×105）和高电流密度（55 nA/μm）。这项工作证明了二维材料及其掺杂工程与现有CMOS技术集成并zui终提高未来纳米电子学效率的巨大潜力。
图1：(a)在SiO2/Si衬底上的WSe2/MoS2 FET的假彩色显微镜图像。(b)和(c)的WSe2和二硫化钼在o2等离子体蚀刻前后的拉曼光谱比较（90 s）。(d)在o2等离子体蚀刻前后（15、60和120 s）和之后，在SiO2/Si衬底上的WSe2薄片的表面形态和电位映射图像。(e)和(f)从(d)中的映射数据中提取的CPD的变化，用一条同时跨越WSe2和二氧化硅表面的红线表示，以及WSe2的平均CPD作为蚀刻时间的函数。
本文先依次制备WSe2、MoS2、WSe2/MoS2，并形成一个部分重叠的异质结构，之后同各国电子束光刻技术形成多个金属电极并沉积，然后利用等离子体将阴离子在二维材料和异质结构上进行取代掺杂后。在室温下进行了拉曼表征（Nanobase XperRam，波长为532nm），如图所示。1(b)和1(c)。原始多层WSe2在大约250 cm-1处表现出平面内模式（E12g），在258 cm-1处表现出平面外模式（A1g）。经O2等离子体处理90s后，E12g模式发生蓝移，表明存在p型掺杂效应。相比之下，原始多层MoS2在9550px-1处表现出平面内模式（E12g）和406 cm-1平面外模式（A1g）。在相同的等离子体处理后，两种模式前后保持一致，这意味着在本工作中，O2等离子体处理对二硫化钼的影响可以忽略不计。所以对于WSe2，本文提取了O2等离子体处理下的表面电位变化作为蚀刻时间的函数，如图所示1(d) -1(f)。随着等离子体处理的，与参考的二氧化硅表面不同（CPD从~300 mV下降到几乎为0），WSe2的CPD从~10大幅增加到200 mV，表明了功函数的显著变化。这一结果也与从拉曼光谱分析中观察到的掺杂效应相一致。
再通过对WSe2/MoS2反双极性FET的性能测试以及多种变量条件下性能变化的分析可得，本文实现了通过一种COMS兼容的O2等离子体处理方法，设计性的在二维半导体WSe2上引入中等p型掺杂到甚至简并p型掺杂掺杂。在等离子体处理过程中，研究了WSe2/MoS2非均相结构的能带演化，以及在外加电场下新的电荷输运行为，从而实现了一种具有优异和平衡性能的反双极性场效应晶体管。
文章信息：该成果以“Plasma-induced energy band evolution for
two-dimensional heterogeneous anti-ambipolar transistors”为题发表在知名期刊Journal of Vacuum Science and Technology上。
本研究采用的是NanoBase XperRam C，波长为532nm共聚焦显微拉曼光谱仪系统。
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