通过界面调控研制高性能二硫化钼顶栅晶体管

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在2004年石墨烯被发现之后,因其独特的性质,引起人们对二维材料广泛的研究。但是零禁带宽度的特点使石墨烯场效应晶体管的开关比难以超过10。新型二维材料,硫化钼的出现弥补了这一缺陷。硫化钼具有合适的禁带宽度(1.2-1.8电子伏),目前基于单层硫化钼的场效应晶体管开关比已经可以做到108,迁移率(> 30 cm2/V·s)及亚阈值斜率(74 mV/dec)同样令人满意。

不过,由于缺乏悬挂键,高介电常数的介质层难以直接沉积在硫化钼表面,使得目前基于硫化钼的电子器件多数采用的是背栅型,这极大地限制了硫化钼器件的实际应用。武汉大学物理学院廖蕾教授课题组采用材料表面功能化的方法成功实现了硫化钼表面高介电常数介质层的高质量沉积,进而获得了高性能顶栅型硫化钼场效应管。具体为在硫化钼表面沉积超薄金属氧化物缓冲层,解决其缺少悬挂键,无法形成大面积沉积的问题。利用金属钇较高的熔点以及与硫化钼间良好的浸润性,基于氧化钇/氧化铪顶栅结构的器件迁移率可以达到63.7 cm2/V·s,亚阈值斜率接近理论极限(65 mV/decade),同时获得了目前为止硫化钼器件中最大的饱和输出电流(526 μA/μm)。相关结果发表在Advanced Materials杂志上

同时,由于单层硫化钼具有很高的开关比,容易区分不同的逻辑状态,因此很适合作为记忆单元的沟道材料。而其原子级的厚度能够实现超薄的晶体管单元,是实现高度集成,低能耗和减小短沟道效应的有效途径。但在实现超薄晶体管的过程中,栅介质层减薄时容易产生缺陷,存储的电荷会从缺陷泄漏,因而很难保持电荷。为了解决这一问题,使用金属纳米晶作为浮栅存储器中的电荷俘获层,当栅介质中有缺陷时,只有附近的纳米晶存储的电荷会泄露,因而具有良好的电荷保持能力。同时金属纳米晶的沉积过程简单,存储密度易控制,具有良好的应用前景。基于这一原因,课题组将单层硫化钼和金属纳米晶俘获层结合在一起,使用不同的金属作为俘获层组装了纳米晶浮栅存储器。其中以金纳米晶作为俘获层的浮栅存储器获得了10V的存储窗口,接近105的稳定可重复的写入擦除比和近10年的存储时间,具有良好的应用前景。相关论文在线发表在Small杂志上