清華新聞網(wǎng)2月24日電 伴隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開(kāi)啟亞10納米節(jié)點(diǎn)時(shí)代，現(xiàn)代信息技術(shù)和人工智能的高速發(fā)展使納米電子器件在高度集成化的同時(shí)也面臨復(fù)雜和苛刻的使用環(huán)境。一方面，納米晶體管器件的高度集成化伴隨著越來(lái)越集中的局域發(fā)熱，使器件常常工作在局部高溫環(huán)境中；另一方面，在可穿戴電子器件、汽車(chē)電子和航空航天等領(lǐng)域，納米電子器件必須適應(yīng)高溫、高濕度、氧化等復(fù)雜的工作環(huán)境。因此，發(fā)展新型耐受苛刻環(huán)境的納米電子材料和器件結(jié)構(gòu)勢(shì)在必行。以MoS2為代表的二維過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔铮═MDCs）具有原子級(jí)厚度、無(wú)懸掛鍵的表面以及對(duì)載流子的低界面散射，有望突破物理極限產(chǎn)生變革性的器件原理和技術(shù)。然而，二維TMDCs器件的苛刻環(huán)境耐受能力仍是一個(gè)短板，其原因可能來(lái)源于二維器件溝道材料的穩(wěn)定性不足，但更為重要的是，二維TMDCs器件的電極接觸界面在苛刻環(huán)境下常常先于溝道材料失效。
在過(guò)去的十幾年中，數(shù)十種TMDCs材料在納米電子學(xué)方面得到了廣泛的探索。相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)電極-TMDCs界面對(duì)二維半導(dǎo)體器件的電輸運(yùn)特性具有關(guān)鍵影響。例如，傳統(tǒng)金屬電極的沉積可能會(huì)破壞超薄的二維TMDCs薄膜，并在電極-TMDCs界面上引入缺陷，產(chǎn)生費(fèi)米能級(jí)釘扎現(xiàn)象和高肖特基勢(shì)壘，從而退化器件的電學(xué)性能；在高溫等環(huán)境下，金屬會(huì)進(jìn)一步往有缺陷的溝道材料上擴(kuò)散，降低器件的開(kāi)關(guān)比（圖1a）。因此，近年來(lái)人們開(kāi)發(fā)了許多降低勢(shì)壘高度來(lái)提升器件性能的策略，包括使用低功函數(shù)金屬、插入緩沖層和轉(zhuǎn)移金屬電極。然而，這些方法并不能克服納米器件在苛刻環(huán)境中的電極界面失效問(wèn)題。例如，在TMDCs器件中用作電極緩沖層的低功函數(shù)金屬，如Ti、In和Bi，在空氣中甚至較高真空下容易氧化，在高溫下這些金屬緩沖層的氧化會(huì)加劇并與有缺陷的TMDCs薄膜反應(yīng)，從而降低器件穩(wěn)定性。
相比之下，通過(guò)轉(zhuǎn)移金屬電極與TMDCs材料形成的范德華電極接觸，能夠有效降低電極-TMDCs界面的缺陷濃度，從而有利于制備出高性能的TMDCs器件。但在苛刻環(huán)境中，一些活潑氣體分子（如潮濕環(huán)境中的水分子）可能會(huì)嵌入到較大的范德華間隙中，增加接觸勢(shì)壘并嚴(yán)重散射載流子，使得TMDCs器件性能衰減（圖1b）。因此，精細(xì)的電極界面設(shè)計(jì)對(duì)于構(gòu)建具有良好環(huán)境耐受性的納米TMDCs器件至關(guān)重要，這要求電極界面不僅具有較少的缺陷，而且能夠有效阻擋金屬擴(kuò)散和氣體分子的進(jìn)入。
針對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題，材料學(xué)院劉鍇副教授課題組報(bào)道了一種電極界面工程策略，通過(guò)全轉(zhuǎn)移方法制備單層石墨烯緩沖的金電極（t-Au/graphene），構(gòu)筑了耐受高溫、高濕度、氧化等苛刻環(huán)境的單層MoS2晶體管器件。在該方法中，化學(xué)氣相沉積（CVD）制備的高質(zhì)量單層石墨烯首先被轉(zhuǎn)移的金電極從基底剝離形成t-Au/graphene電極，然后將t-Au/graphene電極轉(zhuǎn)移到單層MoS2上（圖2a）?；谶@一全轉(zhuǎn)移電極工藝，作為電極緩沖層的單層石墨烯保持了無(wú)缺陷的完整結(jié)構(gòu)（圖1c）。受益于單層石墨烯的原子級(jí)平坦表面和可調(diào)節(jié)的費(fèi)米能級(jí)，具有t-Au/graphene電極的MoS2器件的肖特基勢(shì)壘高度降低至47meV，接觸電阻降低至4.7kΩ·μm。與使用沉積金屬電極或僅使用轉(zhuǎn)移的Au電極的器件相比，低的勢(shì)壘高度和接觸電阻使器件具有更高的開(kāi)電流和載流子遷移率。更重要的是，無(wú)缺陷的疏水性石墨烯緩沖層可以防止金屬?gòu)碾姌O擴(kuò)散到MoS2，以及水分子擴(kuò)散插入到電極界面中，因此使MoS2器件在潮濕、氧化和高溫等苛刻環(huán)境中具有較高的耐受性。在100%的相對(duì)濕度下，t-Au/graphene接觸的MoS2晶體管的開(kāi)電流變化（僅約6%）遠(yuǎn)小于沉積Au/Ti電極或轉(zhuǎn)移Au電極的器件。與采用Au/Ti電極或Au/Bi電極的器件相比，該器件在氧化環(huán)境（空氣）中或在350℃退火后也表現(xiàn)出更穩(wěn)定的電輸運(yùn)特性。在綜合考慮遷移率、開(kāi)電流、耐濕性、耐氧性和熱穩(wěn)定性后，t-Au/graphene電極在所有類(lèi)型的電極設(shè)計(jì)中擁有最佳綜合性能（圖1d）。該工作加深了人們對(duì)納米器件中電極界面作用的理解，并為構(gòu)建具有苛刻環(huán)境甚至極端環(huán)境耐受能力的納米器件提供了有效的電極界面工程策略，有望適用于所有的二維TMDCs器件。
圖1. MoS2晶體管與不同類(lèi)型電極接觸時(shí)的原子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)及綜合性能
圖2. t-Au/graphene接觸的MoS2器件的表征和電輸運(yùn)性能
圖3. t-Au/graphene接觸的MoS2晶體管在高濕度下的穩(wěn)定性
圖4. t-Au/graphene接觸的MoS2器件在氧化環(huán)境和高溫下的穩(wěn)定性
相關(guān)成果以“面向苛刻環(huán)境MoS2場(chǎng)效應(yīng)晶體管的全轉(zhuǎn)移電極界面工程”（All-transfer electrode interface engineering towards harsh-environment-resistant MoS2 field-effect transistors）為題，近日在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際著名期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。
材料學(xué)院2019級(jí)博士生吳永煌、2020級(jí)博士生信澤欽為論文的共同第一作者，清華大學(xué)劉鍇副教授為論文的通訊作者，論文的其他重要合作者還包括北京大學(xué)物理學(xué)院劉開(kāi)輝教授、北京大學(xué)2017級(jí)博士生張志斌等。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華大學(xué)自主科研基金等的資助。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210735
供稿：材料學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：郭玲
