高性能二维过渡族金属硫化物(MoS2、WS2)顶栅晶体管研制及相关问题研究

Two-dimension transitional metal dichalcoginides (TMDs) such as MoS2 and WS2, have enjoyed several advantages in high-performance field effect transistor applications because their high electron mobilities of close to semiconductor silicon and large bandgaps (usually > 1 eV). Based on previous researches, device performances are strongly influenced by interface scattering of high-k dielectric to two-dimension channel material and source-drain contact resistance. This project intends to delve into multiple buffer layers which are inserted between dielectric and channel material, including benzene, defective BN monolayer, grapheme oxide, fluorinated Graphene and so on. Because these buffer layers are bonded to TMDs by Van der Waals force, there are no scattering and defect centers on TMDs surface. This can release the stress and reduce interface trap density effectively which is helpful in depositing high quality Y2O3 or HfO2 for gate dielectric. In addition, heavy doping process would be introduced to ensure metal-semiconductor tunnel ohmic contacts. The final goal of this work is to develop high mobility (100 cm2/Vs) top-gated transistors based on TMDs, which has a great significance in layered material applications.

由于二维过渡族金属硫化物（MoS2，WS2）具有接近半导体硅的迁移率，能隙都在1 eV以上，所以利用这类材料来研制高性能场效应晶体管是一个非常重要的方向。基于原有的工作基础发现，High-k介电材料与二维沟道材料的界面散射、源漏接触电阻都是影响器件性能的重要问题。本项目拟深入研究缓冲层的技术，采用小分子苯、有缺陷的BN单层、氧化石墨烯或者氟化石墨烯等作为缓冲层，由于缓冲层跟二维过渡族金属硫化物主要以范德华力连接，所以不会在二维过渡族金属硫化物表面形成散射和缺陷中心，能有效释放界面间的应力和减少陷阱界面态生成，从而在二维过渡族金属硫化物的表面沉积高质量氧化钇或者氧化铪等作为栅介质绝缘层。另外，引入载流子重掺杂技术确保M/S接触形成隧道型欧姆接触，降低电极与二维材料之间的接触电阻，最终研制出基于二维过渡族金属硫化物的顶栅高迁移率（100 cm2/Vs）晶体管，这对层状材料的应用具有重要意义。

由于二维过渡族金属硫化物（MoS2，WS2）具有接近半导体硅的迁移率，能隙都在1 eV以上，所以利用这类材料来研制高性能场效应晶体管是一个非常重要的方向。基于原有的工作基础发现，High-k介电材料与二维沟道材料的界面散射、源漏接触电阻都是影响器件性能的重要问题。本项目拟深入研究缓冲层的技术，采用小分子苯、有缺陷的BN单层、氧化石墨烯或者氟化石墨烯等作为缓冲层，由于缓冲层跟二维过渡族金属硫化物主要以范德华力连接，所以不会在二维过渡族金属硫化物表面形成散射和缺陷中心，能有效释放界面间的应力和减少陷阱界面态生成，从而在二维过渡族金属硫化物的表面沉积高质量氧化钇或者氧化铪等作为栅介质绝缘层。另外，引入载流子重掺杂技术确保M/S接触形成隧穿型欧姆接触，降低电极与二维材料之间的接触电阻，最终研制出基于二维过渡族金属硫化物的顶栅高迁移率（100 cm2/Vs）晶体管，这对层状材料的应用具有重要意义。作为第一作者/通讯作者在《IEEE TED》、《Adv. Mater.》、《Adv. Funct. Mater.》等杂志上发表SCI论文22篇，做邀请报告两次。