基于后过渡族金属硫化物的高性能二维晶体管（SnSe,InSe）

With atomic thin body thickness, two-dimensional transistors show advantages in reducing short channel effect and OFF state current. Therefore, it is very important to develop high performance field effect transistors using these materials. However, early research of graphene transistors were limited by their zero bandgap and low ON-OFF ratio, and the transistors based on transition metal dichalcogenide were also often limited by their relatively low carrier mobility (<200 cm2/V s) and large contact resistance. In order to overcome these two limitations, we proposal a high performance 2D transistors using post-transition metal selenides (SnSe, InSe) as semiconductor channel, and graphene as the electrodes. The post transition group metal selenide has smaller electron mass (less than 0.2 m0) and therefore higher electron mobility. Importantly, the integration process of graphene electrode does not damage the delicate two-dimensional semiconductor surface, resulting in low Schottky barrier and contact resistance. Based on this, we expected to demonstrate high performance two-dimensional transistors with effective mobility over 300 cm2 / V s, contact resistance of smaller than 1 kΩ μm, and high air-stability, paving the road for high performance short-channel transistors beyond Moore's Law.

二维半导体材料具有其原子级别的体厚度，可以减弱短沟道效应，抑制静态电流，所以利用这类材料来研制高性能场效应晶体管是重要而有前景的研究方向。然而，早期的石墨烯晶体管受限于零带隙和低开关比；而现在的研究热点过渡金属硫化物也通常受限于其较低的载流子迁移率（小于200 cm2/V s）以及较大的接触电阻。为了克服这两项缺点，本项目拟使用后过渡族金属硫化物（SnSe，InSe）作为半导体沟道，石墨烯作为金属电极研制高性能二维晶体管。在此晶体管结构中，后过渡族金属硫化物具有更小的电子质量（小于0.2 m0）以及更高的电子迁移率；而石墨烯电极的集成过程则不会损伤脆弱的二维半导体表面，因而可以有效的减弱接触势垒以及接触电阻。在此基础上，本项目预期研制两端有效载流子迁移率大于300 cm2/V s，接触电阻小于1 kΩ μm，在空气中高度稳定的高性能二维晶体管，为进一步制备符合摩尔定律的短沟道晶体管提供技术

本项目针对传统二维半导体接触区域脆弱的问题，使用范范德华金属电极，克服了传统集成工艺对二维半导体的接触损伤，降低了费米面钉扎效应，实现了高性能的水平和垂直二维晶体管。两项主要成果如下：.1）通过范德华金属集成的二硒化钨晶体管。针对传统集成工艺对二维半导体的损伤和二维半导体无法注入掺杂的问题，提出了一种无掺杂策略，使用相同的接触金属但采用不同的集成方法来调制WSe2晶体管的极性。通过对Au电极进行低能量范德华集成，观察到了稳定且优化的p型晶体管性能，这与在同一WSe2薄片上使用具有明显n型特性的常规沉积的Au接触制备的晶体管形成了鲜明的对比。通过切换多数载流子类型并实现电子和空穴的最佳接触，展示了一种无掺杂逻辑反相器，在5.5 V的偏置电压下具有340的高电压增益。 .2）针对垂直晶体管不理想的金属半导体界面问题，提出了使用低能范德华金属集成技术。通过将预制备的金属电极转移到范德华异质结上，实现了沟道长度低至一个原子层的MoS2垂直晶体管。此器件在沟道长度分别为0.65 nm和3.60 nm的垂直场效应晶体管的开/关比为26和103。该方法还可以扩展到其他层状材料，实现低于3 nm的p型和n型垂直晶体管。