在半導(dǎo)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?qū)倩衔铮═MDC）為代表的二維半導(dǎo)體材料顯示出獨特優(yōu)勢，具有超薄厚度（單原子層或少原子層）和優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、機械性能及多自由度可調(diào)控性，使其在未來更輕、更薄、更快、更靈敏的電子學(xué)器件中具有優(yōu)勢。然而，現(xiàn)階段以器件應(yīng)用為背景的單層二硫化鉬研究仍存在兩個關(guān)鍵問題：材料制備，即如何獲得高質(zhì)量大尺度的二硫化鉬晶圓；器件工藝，即如何實現(xiàn)高密度、高性能、大面積均一的器件加工，這是新型半導(dǎo)體材料從實驗室走向市場要經(jīng)歷的共性問題，若能解決其高質(zhì)量規(guī)?；苽浜图善骷阅苷{(diào)控的關(guān)鍵科學(xué)障礙，將推動二維半導(dǎo)體材料的應(yīng)用發(fā)展進程，給柔性電子產(chǎn)業(yè)注入新的發(fā)展動力。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員張廣宇課題組致力于高質(zhì)量二維材料的外延、能帶調(diào)控、復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(dǎo)下，利用自主設(shè)計搭建的四英寸多源化學(xué)氣相沉積設(shè)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(zhì)量連續(xù)單層二硫化鉬晶圓，所外延的高質(zhì)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(shè)計，所制備的晶圓具有目前國際上報道中最高的電子學(xué)質(zhì)量。相關(guān)研究成果于近期發(fā)表在Nano Letters 2020上。

在上述研究的基礎(chǔ)上，該組博士李娜等在張廣宇、副研究員楊蓉的指導(dǎo)下，優(yōu)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(xiàn)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(xué)反應(yīng)相結(jié)合的原子層沉積方法，提高器件絕緣層質(zhì)量；采用金/鈦/金多層結(jié)構(gòu)作為接觸電極，有效降低器件的接觸電阻。通過優(yōu)化手段，實現(xiàn)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(tài)隨機存儲器以及五環(huán)振蕩器等）的制作，器件表現(xiàn)出優(yōu)異的功能特性。其中，柔性場效應(yīng)晶體管器件密度可達1518個/平方厘米，產(chǎn)量達97%，是目前已報道結(jié)果中的最高指標。此外，單個器件還表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能和柔韌性，開關(guān)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(guān)研究結(jié)果于近期發(fā)表在Nature Electronics 2020上。

上述兩項研究實現(xiàn)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(fā)展提供新的思路與技術(shù)基礎(chǔ)，預(yù)計可有效推動二維半導(dǎo)體材料在柔性顯示屏、智能可穿戴器件方面的應(yīng)用。研究工作由物理所和松山湖材料實驗室聯(lián)合完成，并得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）和青年創(chuàng)新促進會等的資助。

論文鏈接：

1 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02531

2 https://www.nature.com/articles/s41928-020-00475-8#Ack1

圖1.四英寸高定向單層二硫化鉬外延晶圓

圖2.大面積二硫化鉬柔性晶體管與柔性邏輯器件集成

圖3.二硫化鉬柔性反相器、或非門、與非門、與門、靜態(tài)隨機存儲器以及五環(huán)振蕩器