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Nano Res.[半导体]│张广宇课题组:基于衬底台阶工程批量生产无转移的二硫化钼顶栅器件

本篇文章版权为张广宇课题所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


单层二硫化钼(MoS2),因其物理极限厚度、表面原子级平整且无悬挂键、高载流子迁移率、优异的电学/力学/光学性能,在构筑下一代高性能纳电子器件和纳光电子器件方面具有巨大应用潜力。虽然目前已在高质量单层MoS2晶圆制备方面取得巨大进展,但基本是外延在绝缘的蓝宝石衬底上。这与通常的背栅器件构筑工艺不兼容,因此需要将生长的单层MoS2晶圆首先转移到特定衬底上。由于二维薄膜转移处理工艺不可避免地会引入缺陷和杂质,给接触界面造成污染,大大降低器件大面积制造的良率和可重复性,这对集成器件的实际应用构成了巨大挑战。因此,在蓝宝石衬底上直接制备无转移过程的MoS2顶栅场效应晶体管是非常必要的,这对实现MoS2大规模集成电路以及晶圆级MoS2器件制备的良率和可重复性至关重要。


成果简介


我们直接在蓝宝石生长衬底上实现了顶栅单层 MoS2场效应晶体管的批量构筑,而无需进行薄膜转移过程。通过在生长衬底蓝宝石上设计衬底台阶,可以在生长的单层MoS2上直接无损伤的沉积出具有优异质量和空间均匀性的高κ介质层。对于最大台阶密度为100/μm的衬底,其顶栅单位面积电容可达~ 1.87 μF/cm2,等效氧化物厚度仅为 ~ 1.5 nm。此外,界面陷阱态密度可低至 ~7.6×1010 cm-2eV-1。在生长的单层MoS2上直接沉积高质量的介电层,可以批量制造无转移顶栅器件,器件良率大于 96%,开关比高达 ~ 106,并具有优异的空间均匀性。


图文导读


由于台阶边缘具有较低的成核能量,因此高质量的介质层可以以无损伤的方式,沉积在带有台阶的蓝宝石衬底上外延生长的单层MoS2上,通过ALD在单层MoS2薄膜上沉积的HfO2和Al2O3都优先吸附并在台阶边缘成核,而在台阶阶面上基本上没有电介质层成核。因此,通过改变衬底误切角的大小,设计衬底台阶密度,并提高ALD沉积周期,我们可以得到空间高度均匀的高质量超薄介电层薄膜。在此基础上,我们可以批量生产无转移的二硫化钼顶栅器件。


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作者简介


张广宇课题组(http://nano.iphy.ac.cn/N07/index.htm),聚焦纳米领域若干前沿科学技术问题,围绕二维半导体晶圆制备、高性能微纳器件集成、低温强场量子输运、对称性破缺光电子学等方向开展研究工作,是一支具有国际影响力的一流团队。课题组团结、奋进,配备了生长、加工、表征、测量等几十套先进设备,具备完善系统的科研条件,是有志青年施展才华的绝佳平台。热烈欢迎物理、材料、信息器件等相关专业及交叉领域的本科生、研究生加入!


张广宇(研究员,课题组长),中国科学院物理研究所博士、斯坦福大学博士后,现任松山湖材料实验室副主任。曾入选国家高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才、国家杰出青年基金、万人计划科技创新领军人才、中科院引进国外杰出人才、科技部中青年领军人才;获北京市科技奖一等奖、中科院青年科学家奖、中科院杰出科技成就奖、胡刚复物理奖;主持科技部国家重点研发计划项目、基金委重大项目、中科院先导B类等多项科研项目。在纳米物理与器件领域有20多年经验积累,发表论文200余篇(ScienceNature系列刊物论文30余篇),总引20000余次,单篇最高引用2000余次,H指数66,入选2021/2022年爱思唯尔高被引学者;现任 Nano Res., npj 2D Mat. Appl.等期刊的编委。


杜罗军(特聘研究员)中国人民大学-中科院物理所联合培养博士,芬兰阿尔托大学博士后。入选中科院“引进国外杰出人才(I类)”。共发表学术论文63篇(7篇入选ESI高被引论文),其中包括Science (1篇)、Nature Reviews Physics(1篇)、Nature Communications(3篇)、Nano Letters(2篇)、Physical Review 系列(10篇)等第一作者(包含共一)和通讯作者文章28篇。总计被包括Nature、Science 等在内的国际高水平期刊引用2900余次。


文章信息


Li L, Peng Y, Tian J, et al. Batch fabrication of MoS2 devices directly on growth substrates by step engineering. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6180-2.



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