臺大研究成果系列報導─異質雙面(Janus)過渡金屬二硫化物二維材料特性研究
圖文提供:臺大光電工程學研究所所長吳育任教授、碩士班研究生白修齊
隨著摩爾定律的推進,電晶體尺寸的縮小,短通道效應(Short Channel Effect, SCE)已成為元件製程中無可避免的問題。二維半導體材料作為能夠有效抑制SCE的角色,儼然成為近十年熱門的研究話題。異質雙面型過渡金屬二硫化物(Janus TMD)於2017年首度由國外團隊完成人工合成,與典型TMD(如MoS2)的不同之處在於,其二表面由不同硫族元素組成,進而形成特殊的非對稱結構。也因此Janus材料能在垂直面誘發偶極矩(dipole),在單層和多層結構下呈現類似極性和壓電材料的行為,而且不存在表面缺陷。如此獨特的材料性質使得更多元的元件設計有機會實現。例如,不需要再透過調製摻雜(Modulation doping)形成n或p通道,藉由氧化物與Janus TMD界面的極性產生的2DEG 或 2DHG便能克服二維材料的摻雜問題。相似的元件像是不需要進行摻雜的AlGaN/GaN HEMT高頻高功率元件,或是在光電元件利用電偶矩電場可以提高光偵測器的效率。
在本研究中,研究團隊利用密度泛函理論計算單層Janus MoSSe和WSSe的電聲耦合傳輸特性,以及與金屬接面的特性。發現兩個雙異質接面有機會同時存在p型和n型的歐姆接觸,透過特別的結構設計,可以提供CMOS元件設計的概念。另外透過費米黃金定律(Fermi’s Golden Rule)計算出電子 - 聲子在室溫下的散射率,取出Deformation Potential,並藉由蒙地卡羅法計算出場效電子遷移率。在蒙地卡羅法的預測下,發現Janus MoSSe與WSSe呈現出相當有競爭力的電子遷移率結果,與其他熱門的二維材料相比,有著不俗的電子傳輸表現。再加上其可調變的接觸阻抗,可以應用不同元件的需求。本研究通過以上方法,針對Janus MoSSe與WSSe在電性上進行系統化的理論分析,提供材料元件評估有用的參數。此研究也被百年期刊JAP選為當期editor pick 之一。