离子薄膜材料在MoS2晶体管器件中的栅控研究

Recently, two-dimensional transition metal dichalcogenides (2D-TMDS) represented by molybdenum disulfide (MoS2) has drawn wide attention due to its superior stability and semiconductor properties. To combine with 2D-TMDs, the ionic film can be used as gating dielectric to fabricate field effect transistors with high carrier mobility, high on/off ratio, low power consumption and flexibility, thus providing a new choice for future semiconductor dielectric materials. However, due to the limited polarization speed of the ionic film and the normally used side-gated device structure, the switching speed of the ionic film gated transistor is severely limited. This research proposal focuses on searching the recipe of high-quality ionic film with high-frequency response. Then ionic films will be applied to fabricate mechanical exfoliated MoS2 devices in order to optimize device structure. Finally, the wafer-scale continuous MoS2 grown by CVD will be used to further explore the device application of the ionic film, and thus will eventually promote the development of 2D-TMDs in low power consumption and flexible electronics.

近期，以MoS2为代表的二维过渡金属硫族化合物（2D-TMDs）以其优越的稳定性和半导体性能引起了广泛的关注。离子薄膜与2D-TMDs的结合可以制作出栅控能力强、高载流子迁移率、低功耗、柔性的电子器件和电路，从而为未来半导体材料和工艺提供了新的选择。然而在常见的离子薄膜栅控晶体管中，由于侧栅的器件结构和较低的离子电导率，限制了器件的开关速度。本项目以离子薄膜材料的甄选、成膜工艺的探索和高频响应的优化为基础，得到高性能的离子薄膜材料组成；然后以机械剥离的MoS2材料为基础制备离子薄膜栅控晶体管器件，通过简单器件的电学性能反馈，进一步优化离子薄膜材料和器件结构；最后采用CVD生长的晶圆级二维材料，进一步研究离子薄膜的器件应用，以推动二维材料在低功耗、柔性电子方面的发展。

近年来，二维层状材料特别是以MoS2为代表的二维过渡金属硫族化合物（2D-TMDs）具有原子层厚度、可调节的能带大小以及高迁移率，被认为是后摩尔时代的新型半导体材料。然而如何生长大面积高性能的二维层状材料依然是很大的挑战，本项目通过实验路线设计和实验条件的不断探究完善，最终获得了晶圆级MoS2薄膜材料的 CVD 制备方法，并通过离子液体调控等方法，进一步完善生长参数，成果获得高质量晶圆级 MoS2薄膜。通过简单晶体管器件的电学性能反馈，进一步优化离子薄膜材料和器件结构，研究离子薄膜的器件应用。具体包括制作具有较好增益指标的晶圆级 MoS2 反相器（单独 PMOS 或者 NMOS）阵列；制备出晶圆级具有一定功能的 CMOS 逻辑器件阵列，并具有良好的均一性和可重复性。成功获得了适用于晶圆级 MoS2 连续薄膜的完整器件工艺流程，提高了新型二维层状半导体材料在产业应用上的可能性。