韩国庆熙大学（Kyung Hee University）电子与无线电工程系的Yeonsung Lee、Heekyeong Park、Junyeon Kwon、Omkaram Inturu和Sunkook Kim（通讯作者）在2014年4月的《Journal of the Korean Physical Society》（第64卷第7期，第945-948页）发表了一项关于二维多层二硫化钼（MoS₂）晶体管高温电学行为的研究。

学术背景

二维层状半导体材料（如MoS₂、MoSe₂、WS₂、WSe₂等）因其高载流子迁移率（>100 cm²V⁻¹s⁻¹）、力学柔性和能带隙（~1.35 eV）特性而被广泛关注，成为未来柔性显示技术中的关键候选材料。然而，这类材料的实际应用仍受限于金属-半导体接触界面的肖特基势垒（Schottky Barrier），导致载流子输运效率降低。

本研究旨在探究高温环境下多层MoS₂晶体管的电学行为，着重分析肖特基势垒对载流子输运机制的影响。研究团队发现，在高温（380 K）条件下，MoS₂晶体管的场效应迁移率（field-effect mobility, μₘ）显著提升至16.9 cm²V⁻¹s⁻¹，是室温值的两倍。这一现象与传统光学声子散射主导的高温迁移率下降机制相悖，表明载流子输运主要受热电子发射（thermionic emission）机制调控。

研究流程

1. 器件制备：

   • 材料选择与转移：通过机械剥离法（mechanical exfoliation）从天然MoS₂晶体（2H相为主，含少量3R相）获取多层薄片，并转移至覆盖有300 nm SiO₂介电层的重掺杂硅衬底上。
     
   • 退火处理：在Ar/H₂混合气氛（200°C，2小时）中退火，以减少表面残留并降低接触电阻。
     
   • 电极制作：采用电子束蒸发（e-beam evaporation）和光刻技术（photolithography）制备Ti/Au（20 nm/300 nm）源漏电极，沟道长度设计为11.47 μm。
     

2. 电学特性表征：

   • 室温测试：测量器件在V_ds=1 V时的转移曲线（I_d-V_gs），结果显示开关比（I_on/I_off）达10⁶，阈值电压（V_th）为-11 V，场效应迁移率为8.93 cm²V⁻¹s⁻¹。输出曲线（I_d-V_ds）表现出典型的n型MOSFET特性，包括线性区和饱和区。
     
   • 高温测试：在300-380 K范围（步进10 K）下测试温度依赖性电流-电压特性。高温条件下，迁移率随温度升高而增加，380 K时达16.9 cm²V⁻¹s⁻¹。
     

3. 机制分析：

   • 通过热电子发射公式（J_t = A*T²*e^(-qφ_b/kT)[e^(qV_a/kT)-1]）解释电流增强现象，表明高温下载流子更易越过肖特基势垒（φ_b）。
     
   • 对比传统欧姆接触器件（高温迁移率由声子散射主导而下降），本研究中高肖特基势垒器件的反常行为确认为热电子发射主导机制。
     

主要结果与逻辑关系

• 室温数据：验证器件的基准性能，为高温行为提供对比基线。
  
• 高温迁移率提升：表明载流子输运与肖特基势垒高度密切相关，推翻了传统声子散射模型的主导地位。
  
• 理论拟合：热电子发射公式的适用性证实了势垒调控机制的核心作用，为后续优化接触界面设计提供了依据。
  

结论与意义

本研究首次揭示了高肖特基势垒MoS₂晶体管的高温反常迁移率增强现象，明确了热电子发射的主导机制。科学价值在于丰富了二维半导体器件物理的理论框架，为高温应用场景提供了新见解；应用价值则体现在指导未来柔性电子器件中接触工程的设计，如通过降低势垒或优化介面态密度提升性能。

亮点与创新

1. 现象发现：首次报道MoS₂晶体管的高温迁移率正温度系数行为。
   
2. 机制创新：提出肖特基势垒热电子发射的核心作用，区别于传统声子散射模型。
   
3. 方法学：结合温度依赖的电流-电压测试与理论建模，为二维器件界面研究提供了范式。
   

其他价值

研究指出，高温电学行为检测可作为判断器件接触质量（欧姆接触或高势垒接触）的简易方法。此外，团队提出的真空退火工艺对降低接触电阻具有普适性参考意义。

（注：全文术语首次出现时保留英文原词，如“肖特基势垒（Schottky Barrier）”。文献格式依原文标注，如[1-10]为引用的其他研究。）