基于二维半导体的电子器件，其电稳定性有限，这是因为源自半导体的电荷载流子与周围绝缘体中的缺陷相互作用。在场效应晶体管中，所产生的俘获电荷，会产生较大的滞后和器件漂移，特别是，当使用普通非晶栅氧化物（例如硅或二氧化铪）时，会阻碍稳定的电路操作。
近日，奥地利 维也纳技术大学(TU Wien)Tibor Grasser团队Theresia Knobloch，Burkay Uzlu等，在Nature Electronics上发文，报道了通过费米能级调谐，提高非晶栅氧化物石墨烯基场效应晶体管的器件稳定性。有意地调节沟道的费米能级，以最大化沟道电荷载流子和非晶铝栅氧化物缺陷带之间的能量距离。电荷俘获，沟道费米能级与绝缘体缺陷带的能量对准，相对于高度较为敏感，因此，该项研究方法，使电活性边界势阱border traps的数量最小化，而不需要减少绝缘体中势阱的总数。
Improving stability in two-dimensional transistors with amorphous gate oxides by Fermi-level tuning.
通过费米能级调谐改善非晶栅氧化物二维晶体管的稳定性
图1：费米能级调谐，以最大化到氧化物缺陷带的能量距离。
图2：基于计算机辅助设计技术technology computer-aided design，TCAD模拟的稳定性改进估计。
图3：石墨烯场效应晶体管Graphene field-effect transistors，GFET设计和性能。
图4：Al2O3缺陷带排列。
图5：石墨烯场效应晶体管Graphene field-effect transistors，GFET传输特性的滞后。
图6：使用 偏压温度不稳定性bias temperature instability，BTI评估长期电气稳定性。
该项研究，报道了一种基于二维2D材料，以提高场效应晶体管field-effect transistors，FET电稳定性的方法。非晶氧化物中，边界阱的电荷俘获是二维场效应晶体管2D FET阈值电压漂移和长期稳定性降低的主要原因。因此，可以通过调节费米能级的能量排列，以减少非晶栅氧化物中缺陷带的影响。为此，使用Al2O3作为顶栅氧化物的石墨烯场效应晶体管Graphene field-effect transistors，GFET，和两种不同类型的石墨烯，演示这种方法，这两种不同类型的石墨烯，基于各自的制造方法，在掺杂和费米能级排列上有所不同。
研究表明，通过在设计过程中，最小化栅氧化物中缺陷带的影响，可以构建使用普通非晶栅氧化物的更稳定和可靠的2D材料基场效应晶体管FET。在2D半导体中，设计选项，主要包括根据N或P掺杂选择合适的材料，或者改变沟道材料的厚度。
石墨烯，有更多的设计自由度，因为石墨烯费米能级，可以在高达2eV范围内调节。这种提高稳定性的方法，可以普遍适用于其他绝缘体，例如晶体绝缘体，其中窄绝缘体缺陷带的影响，可以比在非晶氧化物中进一步减少。
未来的研究，有必要阐明，在基于非晶氧化物和晶体绝缘体系统中，通过费米能级调谐，可以实现什么水平的稳定性。此外，基于稳定性的设计方法，依赖于氧化物缺陷带的能量位置的先验知识，该先验知识目前是不完整的。
文献链接：https://www.nature.com/articles/s41928-022-00768-0
https://www.nature.com/articles/s41928-022-00768-0.pdf
DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-022-00768-0
本文译自Nature。
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