使用二維材料二硫化鉿HfS2的MOS晶體管

東京工業(yè)大學(xué)、日本理化學(xué)研究所（理研）以及岡山大學(xué)于2016年4月25日宣布，開發(fā)出了使用新型二維材料——二硫化鉿（HfS2）的MOS晶體管。并以確認(rèn)這種晶體管具備良好的飽和特性和電流控制特性，開關(guān)比達(dá)到104，是良好的電子元器件材料。

MOS晶體管作為LSI的基礎(chǔ)元件，縮小元件尺寸對于提高性能來說非常重要，近年來，MOS晶體管的尺寸已經(jīng)縮小到了通道長度不到10nm的程度。過去的半導(dǎo)體材料表面存在原子大小的凹凸，在制成極薄的薄膜后，電流傳輸能力驟降，不可避免地會導(dǎo)致驅(qū)動能力降低。而二維材料具有原子級的平整度和厚度（不到1nm），在極薄的薄膜狀態(tài)下也有望實(shí)現(xiàn)高遷移率。

HfS2屬于過渡金屬二硫?qū)倩锏亩S晶群，通過理論計(jì)算預(yù)測，其單原子層（厚度約為0.6nm）的電子遷移率為1800cm2/Vs，帶隙為1.2eV。這些數(shù)值超過了代表性半導(dǎo)體材料——硅的物理性質(zhì)。最有名的二維材料石墨烯的遷移率極高，預(yù)計(jì)可達(dá)10萬cm2/Vs，但因?yàn)闆]有帶隙，作為LSI元件使用時(shí)面臨削減耗電量的課題。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將通過機(jī)械剝離法制成的厚度為幾個(gè)原子層的HfS2薄片轉(zhuǎn)印到了基板上（方法視頻在低維材料在線上可見）。使用原子力顯微鏡觀測到的薄片厚度約為2～10個(gè)原子層。在薄片上形成金屬電極，制成了以背面的半導(dǎo)體基板為柵電極的MOS晶體管結(jié)構(gòu)。制作出的元件觀測到了良好的開關(guān)比，而且在使用電解質(zhì)作為柵電極的電雙層晶體管結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動電流提高到了在背柵上工作時(shí)的約1000倍以上。

據(jù)巨納旗下低維材料在線的技術(shù)工程師介紹，二硒化鉿晶體HfSe2(Hafnium Selenide)，晶體結(jié)構(gòu)是六邊形的，尺寸可以做到8mm，純度達(dá)到99.995%以上。今后，研究人員將通過對HfS2表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，同時(shí)改善與電極的接觸等手段，使用固體柵極絕緣膜達(dá)到與電解質(zhì)電極相當(dāng)?shù)男阅埽圃斐龀凸钠骷Ａ硗猓?span>HfS2在與其他二維材料進(jìn)行異種材料接合時(shí)，可能會表現(xiàn)出明顯的量子效應(yīng)，其應(yīng)用范圍有望得到拓展，擴(kuò)大到二維通道晶體管等。此次研究成果已刊登在3月1日發(fā)行的《ScientificReports》雜志上。轉(zhuǎn)自低維材料在線：http://www.91cailiao.cn/index.php/news/52.html