The so-called Boltzmann tyranny defines the fundamental thermionic limit of the subthreshold slope of a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) at 60 mV dec-1 at room temperature and therefore precludes lowering of the supply voltage and overall power consumption 1,2 . Adding a ferroelectric negative capacitor to the gate stack of a MOSFET may offer a promising solution to bypassing this fundamental barrier 3 . Meanwhile, two-dimensional semiconductors such as atomically thin transition-metal dichalcogenides, due to their low dielectric constant and ease of integration into a junctionless transistor topology, offer enhanced electrostatic control of the channel 4-12 . Here, we combine these two advantages and demonstrate a molybdenum disulfide (MoS2) two-dimensional steep-slope transistor with a ferroelectric hafnium zirconium oxide layer in the gate dielectric stack. This device exhibits excellent performance in both on and off states, with a maximum drain current of 510 μA μm-1 and a sub-thermionic subthreshold slope, and is essentially hysteresis-free. Negative differential resistance was observed at room temperature in the MoS2 negative-capacitance FETs as the result of negative capacitance due to the negative drain-induced barrier lowering. A high on-current-induced self-heating effect was also observed and studied.

Ferroelectric field-effect transistors employ a ferroelectric material as a gate insulator, the polarization state of which can be detected using the channel conductance of the device. As a result, the devices are of potential to use in non-volatile memory technology, but suffer from short retention times, which limits their wider application. Here we report a ferroelectric semiconductor field-effect transistor in which a two-dimensional ferroelectric semiconductor, indium selenide ({\alpha}-In2Se3), is used as the channel material in the device. {\alpha}-In2Se3 was chosen due to its appropriate bandgap, room temperature ferroelectricity, ability to maintain ferroelectricity down to a few atomic layers, and potential for large-area growth. A passivation method based on the atomic-layer deposition of aluminum oxide (Al2O3) was developed to protect and enhance the performance of the transistors. With 15-nm-thick hafnium oxide (HfO2) as a scaled gate dielectric, the resulting devices offer high performance with a large memory window, a high on/off ratio of over 108, a maximum on-current of 862 {\mu}A {\mu}m-1, and a low supply voltage.

Experimental demonstrations of 1D van der Waals material tellurium have been presented by Raman spectroscopy under strain and magneto-transport. Raman spectroscopy measurements have been performed under strains along different principle axes. Pronounced strain response along c-axis is observed due to the strong intra-chain covalent bonds, while no strain response is obtained along a-axis due to the weak inter-chain van der Waals interaction. Magneto-transport results further verify its anisotropic property, resulting in dramatically distinct magneto-resistance behaviors in terms of three different magnetic field directions. Specifically, phase coherence length extracted from weak antilocalization effect, L$_{\Phi}$ ~ T$^{-0.5}$, claims its 2D transport characteristics when an applied magnetic field is perpendicular to the thin film. In contrast, L$_{\Phi}$ ~ T$^{-0.33}$ is obtained from universal conductance fluctuations once the magnetic field is along c-axis of Te, indicating its nature of 1D transport along the helical atomic chains. Our studies, which are obtained on high quality single crystal tellurium thin film, appear to serve as strong evidences of its 1D van der Waals structure from experimental perspectives. It is the aim of this paper to address this special concept that differs from the previous well-studied 1D nanowires or 2D van der Waals materials.

Ultra-wide bandgap semiconductor Ga2O3 based electronic devices are expected to perform beyond wide bandgap counterparts GaN and SiC. However, the reported power figure-of-merit hardly can exceed, which is far below the projected Ga2O3 material limit. Major obstacles are high breakdown voltage requires low doping material and PN junction termination, contradicting with low specific on-resistance and simultaneous achieving of n- and p-type doping, respectively. In this work, we demonstrate that Ga2O3 heterojunction PN diodes can overcome above challenges. By implementing the holes injection in the Ga2O3, bipolar transport can induce conductivity modulation and low resistance in a low doping Ga2O3 material. Therefore, breakdown voltage of 8.32 kV, specific on-resistance of 5.24 mΩ⋅cm2, power figure-of-merit of 13.2 GW/cm2, and turn-on voltage of 1.8 V are achieved. The power figure-of-merit value surpasses the 1-D unipolar limit of GaN and SiC. Those Ga2O3 power diodes demonstrate their great potential for next-generation power electronics applications.

We demonstrate room-temperature ferroelectric field-effect transistors (Fe-FETs) with MoS2 and CuInP2S6 two-dimensional (2D) van der Waals heterostructure. The ferroelectric CuInP2S6 is a 2D ferroelectric insulator, integrated on top of MoS2 channel providing a 2D/2D semiconductor/insulator interface without dangling bonds. The MoS2- and CuInP2S6-based 2D van der Waals heterostructure Fe-FETs exhibit a clear counterclockwise hysteresis loop in transfer characteristics, demonstrating their ferroelectric properties. This stable nonvolatile memory property can also be modulated by the back-gate bias of the MoS2 transistors because of the tuning of capacitance matching between the MoS2 channel and the ferroelectric CuInP2S6, leading to the enhancement of the on/off current ratio. Meanwhile, the CuInP2S6 thin film also shows resistive switching characteristics with more than four orders of on/off ratio between low- and high-resistance states, which is also promising for resistive random-access memory applications.

In this letter, we report on high performance depletion/enhancement (D/E)-mode beta-Ga2O3 on insulator (GOOI) field-effect transistors (FETs) with record high drain currents (ID) of 600/450 mA/mm, which are nearly one order of magnitude higher than any other reported ID values. The threshold voltage (VT) can be modulated by varying the thickness of the beta-Ga2O3 films and the E-mode GOOI FET can be simply achieved by shrinking the beta-Ga2O3 film thickness. Benefiting from the good interface between beta-Ga2O3 and SiO2 and wide bandgap of beta-Ga2O3, a negligible transfer characteristic hysteresis, high ID on/off ratio of 10^10, and low subthreshold swing of 140 mV/dec for a 300 nm thick SiO2 are observed. E-mode GOOI FET with source to drain spacing of 0.9 um demonstrates a breakdown voltage of 185 V and an average electric field (E) of 2 MV/cm, showing the great promise of GOOI FET for future power devices.

For the first time, polyethyleneimine (PEI) doping on multilayer MoS2 field-effect transistors are investigated. A 2.6 times reduction in sheet resistance, and 1.2 times reduction in contact resistance have been achieved. The enhanced electrical characteristics are also reflected in a 70% improvement in ON current, and 50% improvement in extrinsic field-effect mobility. The threshold voltage also confirms a negative shift upon the molecular doping. All studies demonstrate the feasibility of PEI molecular doping in MoS2 transistors, and its potential applications in layer-structured semiconducting 2D crystals.

In this article, we study the properties of metal contacts to single-layer molybdenum disulfide (MoS2) crystals, revealing the nature of switching mechanism in MoS2 transistors. On investigating transistor behavior as contact length changes, we find that the contact resistivity for metal/MoS2 junctions is defined by contact area instead of contact width. The minimum gate dependent transfer length is ∼0.63 μm in the on-state for metal (Ti) contacted single-layer MoS2. These results reveal that MoS2 transistors are Schottky barrier transistors, where the on/off states are switched by the tuning of the Schottky barriers at contacts. The effective barrier heights for source and drain barriers are primarily controlled by gate and drain biases, respectively. We discuss the drain induced barrier narrowing effect for short channel devices, which may reduce the influence of large contact resistance for MoS2 Schottky barrier transistors at the channel length scaling limit.

Monolayer molybdenum disulfide (MoS2) with a direct band gap of 1.8 eV is a promising two-dimensional material with a potential to surpass graphene in next generation nanoelectronic applications. In this Letter, we synthesize monolayer MoS2 on Si/SiO2 substrate via chemical vapor deposition (CVD) method and comprehensively study the device performance based on dual-gated MoS2 field-effect transistors. Over 100 devices are studied to obtain a statistical description of device performance in CVD MoS2. We examine and scale down the channel length of the transistors to 100 nm and achieve record high drain current of 62.5 mA/mm in CVD monolayer MoS2 film ever reported. We further extract the intrinsic contact resistance of low work function metal Ti on monolayer CVD MoS2 with an expectation value of 175 Ω·mm, which can be significantly decreased to 10 Ω·mm by appropriate gating. Finally, field-effect mobilities (μFE) of the carriers at various channel lengths are obtained. By taking the impact of contact resistance into account, an average and maximum intrinsic μFE is estimated to be 13.0 and 21.6 cm(2)/(V s) in monolayer CVD MoS2 films, respectively.