電子級二維半導體與柔性電子器件研究新進展

發布時間：2020-10-10 11:53 原文鏈接：電子級二維半導體與柔性電子器件研究新進展

　　在半導體器件不斷小型化和柔性化的趨勢下，以二硫化鉬（MoS2）等過渡金屬硫屬化合物（TMDC）為代表的二維半導體材料顯示出獨特優勢，具有超薄厚度（單原子層或少原子層）和優異的電學、光學、機械性能及多自由度可調控性，使其在未來更輕、更薄、更快、更靈敏的電子學器件中具有優勢。然而，現階段以器件應用為背景的單層二硫化鉬研究仍存在兩個關鍵問題：材料制備，即如何獲得高質量大尺度的二硫化鉬晶圓；器件工藝，即如何實現高密度、高性能、大面積均一的器件加工，這是新型半導體材料從實驗室走向市場要經歷的共性問題，若能解決其高質量規模化制備和集成器件性能調控的關鍵科學障礙，將推動二維半導體材料的應用發展進程，給柔性電子產業注入新的發展動力。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員張廣宇課題組致力于高質量二維材料的外延、能帶調控、復雜結構疊層、功能電子器件和光電器件的研究。近期，該組博士生王琴琴等在張廣宇的指導下，利用自主設計搭建的四英寸多源化學氣相沉積設備，采用立式生長方法在藍寶石襯底上外延制備四英寸高質量連續單層二硫化鉬晶圓，所外延的高質量薄膜由高定向（0°和60°）的大晶粒（平均晶粒尺寸大于100 μm）拼接而成。在高定向的薄膜中，高分辨透射電子顯微鏡觀測到近乎完美的4|4E型晶界。得益于多源設計，所制備的晶圓具有目前國際上報道中最高的電子學質量。相關研究成果于近期發表在Nano Letters 2020上。

　　在上述研究的基礎上，該組博士李娜等在張廣宇、副研究員楊蓉的指導下，優化一系列器件加工工藝，包括：采用兼容的微加工工藝，逐層制作器件，保證器件層與層間的潔凈，實現器件陣列加工的大面積均一性；采用獨特的物理吸附與化學反應相結合的原子層沉積方法，提高器件絕緣層質量；采用金/鈦/金多層結構作為接觸電極，有效降低器件的接觸電阻。通過優化手段，實現大面積二硫化鉬柔性晶體管及邏輯器件（如反相器、或非門、與非門、與門、靜態隨機存儲器以及五環振蕩器等）的制作，器件表現出優異的功能特性。其中，柔性場效應晶體管器件密度可達1518個/平方厘米，產量達97%，是目前已報道結果中的最高指標。此外，單個器件還表現出優異的電學性能和柔韌性，開關比達到1010，平均遷移率達到55 cm2 V-1s-1，平均電流密度為35 μAμm-1。相關研究結果于近期發表在Nature Electronics 2020上。

　　上述兩項研究實現二硫化鉬柔性晶體管器件及邏輯器件的高密度集成，為大面積柔性電子器件的發展提供新的思路與技術基礎，預計可有效推動二維半導體材料在柔性顯示屏、智能可穿戴器件方面的應用。研究工作由物理所和松山湖材料實驗室聯合完成，并得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院戰略性先導科技專項（B類）和青年創新促進會等的資助。