高性能二维层状半导体场效应晶体管及其阵列

The Moore’s Law predicts that integrated electronics will soon require sub-10 nm transistors. Traditional silicon complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) field-effect transistor (FET) technology has been pushed to 14 nm node, and is predicted to reach its performance limit in the near future. Therefore, a new transistor technology is urgently needed to replace or supplement silicon CMOS and to extend Moore’s Law. Recently, crystalline two-dimensional semiconductors, with their ultimate atomic thickness, have shown promise as an elegant solution to the problematic scaling of silicon transistors. This project is based on the accumulation and advantages of the applicant in the research of two-dimensional layered semiconductor materials and their heterojunctions as well as their devices, and focuses on solving the key scientific and technical problems in developing two-dimensional layered semiconductor FETs. Based on the high-mobility 2D layered semiconductors, we plan to study the controllable fabrication of large scale high quality mono-layer or few-layer 2D materials, develop heterojunction interface engineering， such as the directional dry transfer technique，coplanar heterojunction stiching technique etc., explore the new methods of reducing source and drain contact resistances, increase the top-gate dielectric quality, and realize high-performance FETs and their array. This research will provide the theoretical and experimental foundation for developing novel electrical devices, which will prolong the Moore’s Law.

摩尔定律预示集成电子学即将进入亚10 nm晶体管时代。硅基互补型金属氧化物半导体(CMOS)场效应晶体管工艺已经发展到14 nm技术节点，预计很快将达到其极限。因此，迫切需要寻找新的信息器件技术来延续摩尔定律。具有原子层厚度平面结构的二维层状半导体的出现给延续摩尔定律带来了新的曙光。申请人拟结合其在二维层状半导体及其异质结构与器件研究方面多年的工作积累和优势，致力于解决发展高性能二维层状半导体场效应晶体管面临的关键科学技术问题，以高迁移率二维层状半导体为主要研究对象，研究大面积高质量单层或少层二维材料的可控制备，发展异质界面工程，包括：定位干法转移技术，面内异质结构无缝衔接技术等，降低源漏接触电阻、探索新的顶栅介质及工艺，制备高性能场效应晶体管及其阵列。本项研究将为发展延续摩尔定律的新型电子器件奠定理论和实验基础。

摩尔定律预示硅集成电子器件即将进入亚10 nm晶体管时代，因此，迫切需要寻找新的材料和技术来延续摩尔定律。具有原子层厚度平面结构的二维层状半导体的出现给延续摩尔定律带来了新的曙光。在本项目中， 我们研究大面积高质量单层或少层二维材料的可控制备，发展多种工艺技术， 包括：异质界面工程（例如：干法定向转移技术，面内异质结构无缝衔接技术等），探寻降低接触电阻的方法，实现高性能场效应晶体管及其阵列。取得的代表性成果如下：1. 揭示了MoTe2薄膜在化学气相沉积(CVD)过程中“固体-固体”的相变机制。发现了相变过程中的重结晶行为。实现了高质量金属相(1T’)和半导体相(2H) MoTe2及其无缝衔接面内异质结构的大面积可控制备。2. 采用1T’-2H MoTe2面内异质结构制备出大面积1T’-2H-1T’ MoTe2场效应晶体管阵列。与金属电极直接接触的传统器件相比，接触电阻明显减小，场效应迁移率大幅提高。3. 基于MoTe2的相变以及相变过程中的重结晶的行为，开发了一种修复MoTe2薄膜宏观缺陷的方法。修复后的薄膜界面处没有晶界，电学性质与原薄膜没有明显差别。4. 采用CVD法生长的p-MoTe2 和 n-MoS2制备成功大面积互补型金属氧化物半导体(CMOS)反相器阵列。 器件整体性能优越，静态能耗超低（~0.37 nW）。5. 采用化学气相传输法（CVT）合成了高质量二维半导体InSe材料。1.5 K低温下，被hBN封装的InSe薄片的载流子霍尔迁移率高达5000 cm2V-1s-1。首次在CVT法合成的InSe薄片中观测到量子霍尔效应。本项研究为发展延续摩尔定律的新型电子器件奠定了理论和实验基础。