非简谐近似马库斯电荷转移理论揭示MoS₂场效应晶体管中缺陷引起的电荷俘获/退俘获和迟滞现象

标题：

Defects Induced Charge Trapping/Detrapping and Hysteresis Phenomenon in MoS₂ Field-Effect Transistors: Mechanism Revealed by Anharmonic Marcus Charge Transfer Theory

文章链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c16884

作者：

Xiaolei Ma, Yue-Yang Liu, Lang Zeng, Jiezhi Chen, Runsheng Wang, Lin-Wang Wang, Yanqing Wu, Xiangwei Jiang

在后摩尔时代，新型二维材料场效应晶体管在实际应用中的一个关键问题是器件输运特性的迟滞现象，该现象会严重影响器件和集成电路的性能。

目前引起器件迟滞现象的公认原因是电荷的俘获与退俘获过程，而沟道和栅介质层界面缺陷是引起电荷俘获与退俘获过程的主要因素。

实验上很难对复杂界面的电荷俘获与退俘获过程进行原位无损检测，因此从原子层面准确描述电荷俘获与退俘获微观过程对于理解器件的迟滞现象是极其重要的。

近日，北京大学马晓雷博士与合作者基于MoS₂场效应晶体管（FET）, 以MoS₂-SiO₂界面为例对电荷俘获与退俘获过程从理论上进行了深入研究。

首先该工作基于第一性原理计算，结合无辐射多声子模型对马库斯电荷转移理论进行非简谐修正，实现分别对界面的电荷俘获过程与退俘获过程进行研究；其次基于修正后的模型，从原子层面深入分析了MoS₂-SiO₂界面缺陷性质，精确地研究了不同类型的缺陷对电荷俘获与退俘获过程的影响；最后，将原子缺陷性质与器件可靠性特征建立联系，得到器件阈值电压漂移的大小。

结果表明，与单个硅悬挂键有关的缺陷是活跃的电子俘获中心；而与单个氧悬挂键有关的缺陷是活跃的空穴俘获中心，这两种缺陷类型都会引起明显的电荷俘获过程和阈值电压漂移，是最有可能导致MoS₂场效应晶体管出现迟滞现象的缺陷类型。

相比之下，两个硅悬挂键相关的缺陷由于电荷俘获速率小于退俘获速率并且阈值电压漂移比较小，该类型的缺陷不是活跃的电荷俘获中心，很难使MoS₂场效应晶体管产生迟滞现象。

上述工作已发表于ACS Applied Materials & Interfaces，论文的第一性原理计算以及电荷俘获与退俘获过程的模拟计算均采用PWmat软件包完成。此工作的开展得到了中国科学院半导体研究所刘岳阳研究员、中国科学院半导体研究所汪林望研究员、山东大学陈杰智教授以及北京大学王润声教授的大力支持。

图1. (a) 单层 MoS₂ 沟道位于 SiO₂ 衬底上的 MoS₂ FET 示意图，其中 MoS₂-SiO₂ 界面处的原子缺陷为潜在的电荷俘获中心。(b) 研究电荷俘获与退俘获过程的 MoS₂-SiO₂ 界面结构，该界面包括 392 个原子。(c) 基于二态无辐射多声子跃迁模型结合马库斯电荷转移理论研究MoS₂-SiO₂界面的电荷俘获/退俘获过程。(d) n 型MoS₂ FET和 p 型 MoS₂ FET 分别在 PBTI 和 NBTI 条件下的能带图。

图 2. MoS₂与 (a) Inter-VO-1H缺陷、(b) Inter-Si-1D缺陷、(c) Inter-Si-2D缺陷、(d) Inter-O-1D缺陷的投影态密度，插图为缺陷结构以及缺陷位置。

图 3. MoS₂ 导带底与缺陷能级在电场驱动下的耦合过程：(a) 电场驱动下MoS₂ 导带底、缺陷能级及各自能级波函数的变化。(b) 当缺陷能级和MoS₂导带底耦合最强时的波函数。(c) 界面体系沿z方向电荷密度。

图 4. 不同电场强度下四种缺陷的电荷俘获速率和退俘获速率，其中 (a) Inter-VO-1H缺陷、(b) Inter-Si-1D缺陷和 (d) Inter-O-1D缺陷在施加较小的电场就出现了比较明显的电荷俘获/退俘获过程，而 (c) Inter-Si-2D缺陷需要施加大的电场才能出现比较明显的电荷俘获/退俘获过程。

END

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