【www.463.com】在单层WS2双极型晶体管中也贯彻了83cm2/Vs的常温最高迁移率,分子尺度实现二维有机质地电子学性质准确调整

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我校电子科学与工程学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的王欣然、施毅教授团队在二维层状半导体材料电子器件研究中取得重要进展,相关研究成果以《High-Performance
Monolayer
WS2Field-effect Transistors on High-κ Dielectrics》以及《Realization of Room-Temperature Phonon-Limited Carrier Transport in Monolayer MoS2by Dielectric and Carrier Screening》为题,分别于2015年9与2016年1月发表于材料科学国际权威期刊《先进材料》上,后者被选为《先进材料》当期Frontispiece。两项工作均由南京大学、新加坡高性能计算中心、中电集团第55研究所等单位合作完成,我校电子科学与工程学院2015级博士研究生于志浩、2014级硕士研究生崔杨、辛润开展主要实验工作,物理学院王伯根教授课题组与新加坡高性能计算中心张刚博士课题组进行了理论计算工作。两篇论文通信作者均为王欣然、施毅教授以及张刚博士。

【www.463.com】在单层WS2双极型晶体管中也贯彻了83cm2/Vs的常温最高迁移率,分子尺度实现二维有机质地电子学性质准确调整。分子尺度实现二维有机材料电子学性质精确调控

二维层状半导体材料具有超薄沟道、高迁移率、能带可调等特点,是后摩尔时代微电子器件的一类重要材料。过渡金属硫族化合物是当前研究最广泛的层状半导体材料,但由于其本征缺陷、界面散射等诸多原因导致目前实验上迁移率普遍较低。针对这些问题,王欣然、施毅教授团队在单层MoS2、WS2高性能晶体管器件方面开展了系统研究。2014年,团队利用界面修饰方法,大幅度提高了MoS2的迁移率记录(Nature
Comm. 5, 5290
,但是MoS2器件性能仍然受到带电杂质的限制。在最近的工作中,该团队提出利用高介电常数衬底以及高浓度载流子的屏蔽效应,可以有效抑制界面的杂质散射,进一步提高MoS2晶体管性能。研究人员利用原子层沉积技术在SiO2衬底上沉积一层10nm厚的高介电常数氧化物(Al2O3或HfO2),并利用前期发展硫醇化学方法对MoS2进行高质量的界面修饰,发现在同等条件下,Al2O3与HfO2衬底上的单层MoS2晶体管迁移率均高于SiO2上的器件。在HfO2衬底上,实现了室温迁移率近150cm2/Vs的单层MoS2晶体管,是目前报道的最高记录。论文合作单位新加坡高性能计算中心的张刚博士课题组对MoS2中的各种散射机制做了定量分析,发现在室温下杂质散射对迁移率的影响首次低于声子散射,表明器件性能已经接近其本征极限。

图片来源:APS/Alan Stonebraker

合作团队发展的界面工程方法也可以用于其他二维半导体器件。在另外一项工作中,系统研究了单层WS2晶体管,发现10nm
Al2O3可以减少界面处的电荷陷阱,使WS2的电子迁移率提高近一倍。结合Al2O3衬底与硫醇界面修饰,在单层WS2晶体管中也实现了83cm2/Vs的室温最高迁移率。

近日,南京大学电子科学与工程学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的王欣然、施毅教授,中国人民大学季威教授,香港中文大学许建斌教授等课题组深入合作,在二维有机半导体的精确可控外延生长、输运性质调控和器件研究中取得突破性进展,相关研究成果于2016年1月4日在线发表在《物理评论快报》上,被选为编辑推荐论文,美国物理学会《物理》杂志以Precise
Layering of Organic Semiconductors为题进行了报道。

这两项工作证明界面工程是实现高性能二维半导体器件的有效方法,为层状半导体在微电子领域的应用迈出了关键一步,是王欣然、施毅教授团队近年来在层状半导体电子器件方向的系列工作的重要成果。相关前期成果分别发表在Nature
Comm. 4, 2642 , Nature Comm. 5, 5290 , APL 100, 123104
等期刊。该两项研究得到科技部国家重点基础研究发展项目,国家杰出青年基金,国家自然科学基金项目,江苏省双创项目等基金的支持与资助。

微电子器件是当代信息社会的基础。在过去50多年中,晶体管尺寸根据摩尔定律的预测不断减小,正逐渐逼近其物理极限,并由此产生诸多挑战。二维层状材料在构筑电子器件时具有超薄沟道、高迁移率等特点,是最有希望在微纳电子和光电子领域带来新变革的材料之一。目前,二维层状材料的研究主要集中在石墨烯、过渡金属硫族化合物、类石墨烯等无机原子晶体。另一方面,有机二维半导体兼顾了有机材料多样化、高柔性等特点,正得到人们越来越多的关注。有机晶体管的电荷传输过程通常发生在界面附近的几个分子层内。因此,精确制备少层有机晶体材料是在分子尺度上理解和调控电荷输运性质的基础,对于有机电子学具有重要的意义。

(电子科学与工程学院 科学技术处)

合作团队深入地研究了并五苯分子在六方氮化硼衬底上的范德华外延生长机理,实现了高质量、层数可控的1-3层并五苯外延薄膜。在其厚度接近二维极限时,薄膜仍展现出在有机单晶材料中才具有的各向异性、高迁移率、能带型输运等本征特性。研究团队还发现,层内和层间分子间相互作用存在竞争关系,导致不同层的分子排列结构存在差别。这些结构差异使得并五苯外延薄膜在1至3层中发生了绝缘-跃迁输运-能带输运的一系列相变过程,这是首次直接观测到电荷传输层分子堆积结构与电子输运性质之间的內禀关联。此外,利用并五苯外延薄膜制备的场效应晶体管,其性能与有机单晶场效应晶体管媲美。合作团队开发的范德华外延技术还有望应用于异质结和超晶格等更为复杂的有机半导体结构和器件,将进一步推动有机电子学的发展。尽管这些结构已经在无机半导体器件中已有着广泛的应用,但其在有机半导体中还尚未实现。

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