第一作者：劉陶、劉松
通訊作者：Slaven Garaj
通訊單位：新加坡國立大學
研究亮點：
1. 通過調控底板的納米尺度形貌產生應力場，顯著提高了二硫化鉬晶體管的載流子在常溫常壓下的遷移率和飽和電流。
2. 該方法同樣適用于其他n型和p型的二維材料。
為什么要研究二維晶體管在常溫常壓下的輸運性質
二維半導體材料以其豐富且獨特的物理性質，在未來半導體工業中極具潛力。基于二維材料的電子器件在常溫常壓下的輸運性質是發展二維半導體工業的基礎。
二維晶體管在常溫常壓下所面臨的問題
由于眾多因素的影響，二維材料薄膜在常溫常壓下的場效應遷移率及飽和電流遠低于理論計算，極大地限制了其在實際應用中的前景。大量實驗結果表明，改變電極和底板材料并不能有效地提升二維晶體管在常溫常壓下的性能。
另一方面，很多實驗結果和理論計算表明，當二維材料處于應力場中，會產生直接能帶到間接能帶的變化，且載流子遷移率會明顯提升。
成果簡介
有鑒于此，新加坡國立大學物理系的Slaven Garaj課題組提出并實現了一種以底板的納米尺度形貌產生的應力場為基礎，顯著提高二維材料在常溫常壓下的輸運性質的方法：二維褶皺晶體管。
圖1高性能的MoS2 褶皺晶體管。a，褶皺晶體管的概念圖及底板的AFM圖像。b，褶皺晶體管的IV特性曲線。c，輸運特性曲線。
這種晶體管通過使用表面起伏度較高的氮化硅底板（平均粗糙度為2納米，最高點約為10到15納米）對二硫化鉬產生無序的應力場，在常溫常壓下實現了接近兩個數量級的載流子遷移率提升，以及一個數量級的飽和電流提升。基于在無序應力場中觀察到的現象，團隊通過自組裝分子制作了尺寸可控的褶皺底板，并觀察到了一致的輸運性能提升。團隊也證明了應力場對二維材料性能的提升是同時適用于n型和p型材料的。
要點1：無序應力場對二維晶體管性能的影響
在這項工作中，團隊首先在粗糙氮化硅底板上制作了兩電極的二硫化鉬晶體管，發現最大場效應遷移率達到了820 cm2 V-1 s-1，在1微米溝道長度下的最大飽和電流達到了310 μA μm-1。對67個相似器件的統計結果證明了這一現象的重復性 （圖1、2）。團隊研究了單層至5層的二硫化鉬器件，都顯示出了相似的性能提升效果。
圖2 MoS2 晶體管遷移率和底板形貌。a，平均場效應遷移率和底板平均粗糙度的關系。b，不同底板上器件遷移率的統計分布。
為了區分底板材料和底板形貌對器件性能的影響，團隊統計性地分析了具有不同表面粗糙度的不同材料的底板，發現器件性能主要受到底板表面形貌的影響，而底板材料本身的作用并非主導（圖2）。
要點2：人工調控的應力場對二維材料具有和無序應力場一致的作用
為了研究該方法的可控性，團隊通過自組裝分子制備了蝕刻蒙版，在傳統二氧化硅底板上實現了尺寸可控的粗糙度。團隊發現這種底板對MoS2晶體管性能的提升作用與其他粗糙底板一致，說明可以通過人工調控二氧化硅的形貌來提升傳統器件的性能（圖3）。
圖3人工制備的SiO2粗糙底板。a，人工粗糙SiO2底板的制作過程示意圖。b，蝕刻蒙版的SEM圖像和制備完成后的粗糙SiO2底板的AFM圖像。c，粗糙SiO2底板上的器件遷移率分布。
要點3： 應力場對晶體管性能提升的普適性
由于其他二維材料在結構和性質上和二硫化鉬的相似性，以及二維異質結在未來器件應用中的巨大前景，團隊在其他的n型（二硒化鉬）和p型（二硒化鎢）材料中測試了底板應力場的效果，發現這種方法同時適用于不同類型的材料（圖4）。
圖4其他二維材料場效應晶體管在傳統二氧化硅和粗糙氮化硅底板上的性能。在n型和p型材料中都觀察到了場效應遷移率的提升。
小結
綜上所述，本研究通過在納米尺度下調控底板形貌產生的應力場，實現了常溫常壓下二維場效應晶體管性能的顯著提升，并且這種方法對n型和p型的材料具有普適性。應力調控是CMOS制備和應用中一項重要的技術，該結果對二維材料的適用性和傳統半導體工業相兼容，為二維材料在工業化中的應用提供了更廣闊的前景。
參考文獻：
Liu T, Liu S, TuK-H, et al. Crested two-dimensional transistors. Nature Nanotechnology, 2019.
DOI: 10.1038/s41565-019-0361-x
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0361-x
