进展 | 电子级二维半导体与柔性电子器件

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中央张广宇研究员课题组在过去十多年一贯致力于高质量二维材料的外延、能带调控、繁芜构造叠层、功能电子器件和光电器件的研究。

近期，该组博士生王琴琴等在张广宇研究员的辅导下，利用自主设计搭建的四英寸多源化学气相沉积设备，采取立式成长方法在蓝宝石衬底上成功外延制备了四英寸高质量连续单层二硫化钼晶圆，所外延的高质量薄膜由高定向（0和60）的大晶粒（均匀晶粒尺寸大于100 m）拼接而成。
在这种高定向的薄膜中，高分辨透射电子显微镜不雅观测到了近乎完美的4|4E型晶界。
得益于独特的多源设计，所制备的晶圆具有目前国际上宣布中最高的电子学质量。
干系事情揭橥在近期的Nano Letters 2020上。

在此根本之上，该组李娜博士等在张广宇研究员、杨蓉副研究员的辅导下，进行了一系列器件加工工艺的优化，包括：1）采取兼容的微加工工艺，逐层制作器件，担保了器件层与层之间的清洁，实现了器件阵列加工的大面积均一性；2）采取独特的物理吸附与化学反应相结合的原子层沉积方法，提高了器件绝缘层质量；3）采取金/钛/金多层构做作为打仗电极，有效降落了器件的打仗电阻。
通过这些优化手段，成功实现了大面积二硫化钼柔性晶体管以及逻辑器件（如反相器、或非门、与非门、与门、静态随机存储器以及五环振荡器等）的制作，器件表现出精良的功能特性。
个中，柔性场效应晶体管器件密度可达1518个/平方厘米，产量高达97%，是目前已宣布结果中最高指标。
此外，单个器件还表现出精良的电学性能和柔韧性，开关比达到1010，均匀迁移率达到55cm2V-1s-1，均匀电流密度为35 A m-1。
干系结果揭橥在近期的Nature Electronics 2020上。

这两项事情打破了晶圆级高质量二硫化钼薄膜的外延技能，实现了二硫化钼柔性晶体管器件及逻辑器件的高密度集成，为大面积柔性电子器件的发展供应了新的思路与技能根本，预期可以有效推动二维半导体材料在柔性显示屏、智能可穿着器件方面的运用。

该系列事情由中国科学院物理研究所与松山湖材料实验室联合完成，并得到了国家自然科学基金、国家重点研发操持、中科院B类先导专项、中科院青匆匆会等项目的帮助。

图1. 四英寸高定向单层二硫化钼外延晶圆

图2. 大面积二硫化钼柔性晶体管与柔性逻辑器件集成

图3. 二硫化钼柔性反相器、或非门、与非门、与门、静态随机存储器以及五环振荡器

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编辑：米老猫