6月12日

國際權(quán)威期刊Science在線發(fā)表

湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、二維材料湖南省重點實驗室

段曦東教授團隊完成的

具有普適性的柵極調(diào)控能帶調(diào)制超摻雜策略的最新研究成果

二維半導(dǎo)體（two-dimensional semiconductors，2DSCs）在原子級厚度下具有高遷移率、無懸空鍵、免疫短溝道效應(yīng)、易制備異質(zhì)結(jié)等優(yōu)異性能，近年來成為研究低功耗、超高集成度、柔性、超快芯片領(lǐng)域的熱點，是后摩爾時代的優(yōu)質(zhì)第五代半導(dǎo)體。調(diào)控二維半導(dǎo)體中的載流子濃度，對掌控其基礎(chǔ)電子特性、降低金屬-半導(dǎo)體接觸電阻以及提升器件性能起著關(guān)鍵作用。

傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝中晶格替代摻雜（如離子注入）易于產(chǎn)生高能損傷，而表面吸附物誘導(dǎo)的電荷轉(zhuǎn)移摻雜則通常涉及劇烈的化學(xué)處理、表面雜質(zhì)的引入和化學(xué)穩(wěn)定性等問題，因此它們難以適用于原子級薄的2DSCs。

段曦東教授團隊使用單層二硫化錫（1L-SnS2）與雙層二硒化鎢（2L-WSe2）構(gòu)建具有III型能帶排列的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)（vdWHs）。背柵偏置電壓（Vgs）能夠?qū)娱g電荷轉(zhuǎn)移摻雜進(jìn)行有效調(diào)制，實現(xiàn)了超過典型介電擊穿的最大靜電摻雜極限的超摻雜，獲得了高達(dá)1.49×1014 cm–2的超高二維空穴濃度。高空穴濃度使p型2D晶體管展現(xiàn)出優(yōu)異性能，其最低源漏接觸電阻（RC）低至0.041kΩ·μm，最高開態(tài)電流密度（Ion）高達(dá)2.30mA/μm。

研究成果成功實現(xiàn)了2DSCs中超高的n2D，超低RC與Ron以及創(chuàng)紀(jì)錄的高Ion。這為調(diào)控二維半導(dǎo)體中的載流子濃度提供了一種超越傳統(tǒng)電介質(zhì)限制的能帶調(diào)制摻雜方法，為未來高性能2D電子器件的開發(fā)開辟了新途徑。審稿人評論意見為，“這些均為p型二維TMD晶體管中的領(lǐng)先水平” “不同二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)中豐富的能帶結(jié)構(gòu)使得帶隙工程能夠更為便捷地實現(xiàn)”。

研究成果以“Gate-driven band modulation hyperdoping for high-performance p-type 2D semiconductor transistors” 為題發(fā)表在Science上。湖南大學(xué)為論文第一單位，段曦東教授為論文唯一通訊作者，第一作者為湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士畢業(yè)生趙蓓、博士畢業(yè)生張祖城、合肥工業(yè)大學(xué)徐俊卿教授。

圖1 1L-SnS2/2L-WSe2 vdWH短溝道FET的超高Ion與超低Ron特性。

來源：湖南大學(xué)（ID：HNU1926）