使用二维材料二硫化铪HfS2的MOS晶体管
- 2017-06-01 16:44:00
- admin 原创
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MOS晶体管作为LSI的基础元件，缩小元件尺寸对于提高性能来说非常重要，近年来，MOS晶体管的尺寸已经缩小到了通道长度不到10nm的程度。过去的半导体材料表面存在原子大小的凹凸，在制成极薄的薄膜后，电流传输能力骤降，不可避免地会导致驱动能力降低。而二维材料具有原子级的平整度和厚度（不到1nm），在极薄的薄膜状态下也有望实现高迁移率。
HfS2属于过渡金属二硫属化物的二维晶群，通过理论计算预测，其单原子层（厚度约为0.6nm）的电子迁移率为1800cm2/Vs，带隙为1.2eV。这些数值超过了代表性半导体材料——硅的物理性质。最有名的二维材料石墨烯的迁移率极高，预计可达10万cm2/Vs，但因为没有带隙，作为LSI元件使用时面临削减耗电量的课题。
在实验中，研究人员将通过机械剥离法制成的厚度为几个原子层的HfS2薄片转印到了基板上（方法视频在低维材料在线上可见）。使用原子力显微镜观测到的薄片厚度约为2～10个原子层。在薄片上形成金属电极，制成了以背面的半导体基板为栅电极的MOS晶体管结构。制作出的元件观测到了良好的开关比，而且在使用电解质作为栅电极的电双层晶体管结构中，驱动电流提高到了在背栅上工作时的约1000倍以上。
据巨纳旗下低维材料在线的技术工程师介绍，二硒化铪晶体HfSe2(Hafnium Selenide)，晶体结构是六边形的，尺寸可以做到8mm，纯度达到99.995%以上。今后，研究人员将通过对HfS2表面进行适当的保护，同时改善与电极的接触等手段，使用固体栅极绝缘膜达到与电解质电极相当的性能，制造出超低功耗器件。另外，HfS2在与其他二维材料进行异种材料接合时，可能会表现出明显的量子效应，其应用范围有望得到拓展，扩大到二维通道晶体管等。此次研究成果已刊登在3月1日发行的《ScientificReports》杂志上。
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陈谷一