Multi-Branch Transport in a Back-gated WS$_2$ Transistor at Deep-Cryogenic Temperature

技术摘要：深低温环境下背栅 WS2 转导器的多分支传输特性

问题与动机
二维（2D）半导体，特别是二硫化钨（WS2）等过渡金属硫族化合物（TMDCs），是超越传统硅技术的下一代电子器件的有力竞争者。虽然其在室温逻辑和柔性电子领域的潜力已得到充分验证，但新兴的航天仪器、低噪声传感和量子计算技术要求器件能够在低温环境下有效运行。在这些低温度下，热激活传输被抑制，可能导致器件对接触势垒、捕获电荷和载流子局域化的敏感性增加。这些因素可能会改变关键的晶体管参数，例如阈值电压、迟滞现象和电流调制。因此，理解二维场效应晶体管（FET）在深低温条件下的行为，对于评估其是否适用于量子兼容电子系统至关重要。

实验方法
作者对一个背栅多层 WS2 FET 进行了电学表征，温度低至 20 mK。该器件构建在高度掺杂的 p++ 硅衬底（作为全局背栅）和 85 nm 热生长 SiO2 介质层之上。WS2 薄片通过机械剥离法制备并转移到衬底上，源漏接触采用 Ni/Au 金属化工艺进行光刻定义。通过原子层显微镜（AFM）测定薄片厚度约为 90 nm。

电学测量是在 Oxford Instruments Proteox 稀释制冷机中进行的。栅极偏压（$V_{GS}$）通过源测量单元（SMU）施加，而漏源电流（$I_{DS}$）则使用跨阻放大器（TIA）进行测量，以确保对低关断电流具有高灵敏度。在 20 mK 至 25 K 的温度范围内，记录了正向（FWD）和反向（BWD）扫描方向的转移特性（$I_{DS}$ 对 $V_{GS}$），并增加了 77 K 和室温下的数据点。

主要结果

1. 栅极可调控性与开关比： 该器件在整个低温区间内保持了强烈的栅极可调控性。即使在 20 mK 时，它也实现了超过 $10^5$ 的有效开关电流比，展示了在毫开尔文量级下稳健的开关性能和极低的关断态漏电流。
2. 迟滞现象减少： 虽然观察到了栅极扫描迟滞，但与室温操作相比，这种现象在低温下显著降低。这表明在深低温条件下，阈值稳定性得到了改善，这可能是由于半导体/电介质界面处缓慢的电荷捕获与释放过程被冻结所致。
3. 多阶段开启行为： 低温转移特性中的一个显著特征是在开启阶段观察到了可重复的、类肩峰状的特征。漏极电流并非从关断态到导通态进行单一的陡峭转变，而是表现出带有中间阶段的多阶段增长。
4. 负跨导： 在高电流状态下，转移特性显示在大正栅极偏压下电流有所下降（负跨导），这种行为在负漏源偏压下更为明显。

建模与分析
为了解释非理想的多阶段开启行为，作者采用了现象学多分支 Lambert-W 模型。该模型将总漏极电流视为多个并行运行的有效导电分支之和，每个分支都有其自身的阈值电压（$V_{th,m}$）和强度比例因子（$K_m$）。

• 分支拟合： 在最低温度下，数据通过最多三个有效分支进行最佳拟合。随着温度升高，解析出的分支数量减少，这表明热展宽和增加的载流子激活导致相邻的导电贡献合并为一个有效的开启过程。
• 阈值偏移： 提取的第一分支阈值电压（$V_{th,1}$）随温度升高向更负的栅极电压方向移动。这表明在较高温度下，有效导电起始于较低的施加栅极偏压，这与载流子激活增加相一致。相反，在冷却过程中，阈值电压向更正的栅极偏压方向移动。
• 历史依赖性： 拟合数据所需的支数以及特定的阈值在正向（FWD）和反向（BWD）扫描之间存在差异，这表明沟道静电学取决于栅极偏压的历史，这很可能是由于电荷捕获动力学引起的。

意义与主张
本文声称，观察到的多阶段开启行为可以解释为通过几个在不同栅极电压范围内激活的并行传输贡献建立的导电。这种非均匀性可能源于多层 WS2 通道内栅极耦合、载流子密度、无序度和层间耦合的变化，并且在低温下的渗流输运过程中可能被进一步放大。密度泛函理论（DFT）计算支持了多层 WS2 中电场诱导空间非均匀性的概念，即垂直电场会重新分布整个堆叠结构的带边状态。

作者得出结论，测得的响应受接触限制、静电无序以及 WS2/SiO2 界面处电荷捕获的综合影响。虽然该器件展示了适用于低温应用的强栅极控制能力和高开关比，但多分支传输和残余迟滞现象的存在表明，未来需要改进电介质界面、接触电阻和通道封装，以分离出本质的输运特性并稳定用于可扩展低温电子器件的器件响应。