霍能杰研究员团队与合作者在《Advanced Functional Materials》发表低维晶体管的研究进展

2024-04-25 15:58:00

如今,由于尺寸缩小带来的物理限制和沟道与绝缘层之间不可避免的表面粗糙度引起的严重表面散射,传统硅基晶体管面临着栅控能力急遽下降的挑战。二维材料因其原子级厚度和无悬键表面而被认为是集成电路超大规模晶体管的潜在候选者。二维器件的超薄沟道表现出了增强的静电控制,显现出以其低亚阈值摆幅(SS)抑制短沟道效应的潜力。然而,对于采用传统金属-氧化物-半导体产效应晶体管(MOSFET)架构构建的二维器件,氧化物和半导体之间不可避免的界面缺陷仍然会导致迁移率的下降和功耗浪费的产生。受益于范德华异质结的原子级锐利界面,范德华结型场效应晶体管(JFET)为抑制电荷传输的恶化提供了潜在的解决方案。过往研究表明,无需复杂介电工程的范德华JFET可表现出优异的电学特性,但因空穴较高的有效质量,高迁移率p沟道JFET的实现仍是充满挑战。

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鉴于此,华南师范大学孙一鸣特聘副研究员、霍能杰研究员与巢湖学院李莎莎副教授合作提出了一种二维碲(Te)薄片减薄方法,并制备了基于减薄后Te和ReS2纳米片异质结的四端结型场效应晶体管器件。

通过温和的氧化减薄工艺,将生长后的Te片减薄为少层,保证了作为晶体管沟道的较薄厚度与较低载流子浓度。随后制备基于少层p型Te与n型ReS2的四端范德华异质结型晶体管。该晶体管实现了整流二极管、p沟道和n沟道晶体管在一个器件中的多功能集成。其中,ReS2/Te p-n二极管表现出整流比为103的有效整流能力。p沟道(Te)和n沟道(ReS2)范德华异质结型晶体管均表现出明显的饱和特性、小夹断电压等特点。此外,通过p沟道范德华JFET的高效双栅调制,可以同时实现高迁移率、近理想的SS值和高开关比性能。通过与同类别器件对比表明本研究成果在同领域的领先水平。本工作提出了一种二维Te的简便且非破坏性的减薄方法,并构筑了一种新型的范德华异质结结型晶体管架构,获得具有高迁移率和理想亚阈值摆幅的二维晶体管器件。文章以“Thinning Solution-proceed 2D Te for p- and n-channel Junction Field Effect Transistor with High Mobility and Ideal Subthreshold Slope”为题发表在著名期刊Advanced Functional Materials,华南师范大学孙一鸣特聘副研究员、霍能杰研究员与巢湖学院李莎莎副教授为共同通讯作者,文章的合作者还包括浙江大学李京波教授,华南师范大学高伟研究员等。