化學(xué)系焦麗穎課題組和微電子所任天令課題組合作提出二維電子器件集成新策略

清華新聞網(wǎng)4月17日電 4月15日，清華大學(xué)化學(xué)系焦麗穎課題組和微電子所任天令課題組在《自然·電子學(xué)》（Nature Electronics）上在線(xiàn)發(fā)表了題為“二維電子元件一體化制備及集成”（Simultaneous synthesis and integration of two-dimensional electronic components）的研究論文，首次提出了二維晶體材料合成與器件集成一體化的器件制備策略。不同于傳統(tǒng)加工方式中分步實(shí)現(xiàn)溝道、接觸和互連的制備，這一新策略是通過(guò)二維金屬/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的圖案化合成，實(shí)現(xiàn)了一步化學(xué)制備各類(lèi)電子元件并將其集成為實(shí)用電路，為二維電子器件的無(wú)損加工與集成提供了新的思路和方法。 

傳統(tǒng)加工方式和直接集成策略的示意圖

隨著大規(guī)模IC技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,硅器件的尺寸逐漸逼近物理極限。因此，探索新器件技術(shù)、尋找硅材料的替代者進(jìn)而延續(xù)和拓展摩爾定律成為科學(xué)界和工業(yè)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。二維晶體材料具有超薄平面結(jié)構(gòu)與豐富的材料特性，有望成為未來(lái)集成電路的核心材料。但是，基于二維晶體材料的電子器件也面臨諸多問(wèn)題。首先，二維晶體材料的超薄特性使其對(duì)器件加工過(guò)程非常敏感，紫外或電子束曝光過(guò)程中的高能量輻射會(huì)對(duì)材料造成損傷。其次，二維半導(dǎo)體與塊體金屬之間存在較大的勢(shì)壘，影響載流子的注入。另外，從單個(gè)器件到實(shí)用化電路仍有存在很難逾越的鴻溝——器件集成，然而目前還沒(méi)有針對(duì)于二維晶體電子器件集成的理想方法。

針對(duì)以上問(wèn)題，焦麗穎課題組和任天令課題組提出了二維晶體材料合成與器件集成一體化的制備新策略?；诙S1T’/2H MoTe2異相結(jié)構(gòu)的圖案化合成，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)一步化學(xué)反應(yīng)制備全二維器件。溝道與電極間以共價(jià)鍵相連，能夠降低勢(shì)壘、有效注入電子，避免后加工過(guò)程對(duì)材料的損傷及界面污染問(wèn)題。并利用此策略制備了一系列高性能的原型器件，如場(chǎng)效應(yīng)晶體管、反相器、實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制的射頻晶體管陣列、超短場(chǎng)效應(yīng)晶體管、互連的多層器件和柔性器件等，展現(xiàn)了材料合成與器件集成一體化新策略的重要應(yīng)用前景?！蹲匀弧る娮訉W(xué)》以“One-step fabrication of 2D circuits” 為題對(duì)該工作進(jìn)行了報(bào)道。 

原型器件展示

清華大學(xué)化學(xué)系博士生張琪和微電子所博士生王雪峰是文章的共同第一作者，化學(xué)系焦麗穎副教授和微電子所任天令教授是通訊作者。中科院物理研究所谷林課題組及清華大學(xué)材料學(xué)院鐘虓龑課題組在原子分辨成像方面提供了幫助。

近年來(lái)，焦麗穎副教授致力于低維半導(dǎo)體材料的可控合成、結(jié)構(gòu)表征和物性測(cè)量，任天令教授致力于新型二維電子器件的研究，在各自研究領(lǐng)域均取得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果。此次研究是兩個(gè)團(tuán)隊(duì)密切合作的成果，該研究得到了國(guó)家自然基金項(xiàng)目、科技部項(xiàng)目及清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0233-2

供稿：微電子與納電子學(xué)系

編輯：李華山

審核：周襄楠