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中国半导体十大研究进展候选推荐（2022-020）——通态电流超过1.5 mA/μm的双层二硒化钨晶体管

已有 1484 次阅读 2022-9-21 10:53 |系统分类:论文交流

1 工作简介

——通态电流超过1.5 mA/μm的双层二硒化钨晶体管

二维半导体材料具有原子薄的厚度、免疫短沟道效应等特性，开发基于二维材料的高性能晶体管和集成电路是实现下一代高速、低功耗数字电子产品的关键之一。在大量的文献中使用许多不同的方法构造了基于二维半导体的晶体管，报道了二维半导体可以获得较高载流子迁移率或低接触电阻。但是载流子迁移率、接触电阻作为常用来评估二维半导体性能的参数都是经过复杂推导得到的，可能产生严重的误差，导致器件性能的评估模棱两可，有时甚至相互矛盾，从而引发了有关二维半导体究竟能达到怎样的极限性能、究竟能否取代硅基半导体的疑问。

针对这一问题，湖南大学段曦东教授团队开发了范德华外延生长中热应力可控产生晶界裂纹技术，制备了由VSe₂作为接触触点的沟道长度小于100 nm的双层WSe₂晶体管。该技术实现的原子级清洁接触界面及无损伤的WSe₂沟道晶体结构为表征二维WSe₂半导体本征性能提供了条件，最终在亚100 nm的二维WSe₂半导体晶体管上普遍实现了大于1.00 mA/μm的通态电流密度，特别是在20 nm的双层WSe₂晶体管上实现了高达1.72 mA/μm的通态电流密度、低于0.50 kΩ·μm的通态电阻及高的开关比。此通态电流密度超过了二维晶体管当前的关键目标值1.50 mA/μm，该成果突出了二维晶体管的潜力，并证明了二维半导体晶体管可以在与通道长度和驱动电压相当的情况下，提供与硅晶体管相比有竞争力的电流密度。该成果对该领域内长期存在的“二维半导体晶体管究竟能否获得比拟或者优于传统硅基半导体晶体管的性能”的疑问做出了肯定的回答，将吸引半导体、芯片领域的专家和产业界、投资界的注意，推动硅基半导体后的新一代二维半导体、芯片技术的发展。

图1. 具有VSe₂ vdW触点接触的亚100 nm双层WSe₂晶体管的形成及其电学性能测试。(a) 通过可控裂纹形成实现具有合成VSe₂ vdW接触的亚100 nm沟道长度双层WSe₂晶体管的工艺流程示意图。(b) WSe₂上一对六边形VSe₂晶畴的光学显微镜图像，具有明显的纳米间隙。(c，f) 沟道长度为76 nm和20 nm的双层WSe₂晶体管的SEM图像。(d，g) 不同背栅电压下的输出特性。(e，h) 不同偏置电压下的转移曲线。

研究成果于2022年8月8日以"Bilayer tungsten diselenide transistors with on-state currents exceeding 1.5 milliamperes per micrometre"为题发表在《Nature Electronics》(Nature Electronics, 2022, 5, 497–504)，吴瑞霞、陶全洋为共同第一作者，段曦东教授为通讯作者。

2 作者简介

通讯作者

段曦东，教育部长江学者特聘教授，湖南大学化学化工学院教授、二维材料湖南省重点实验室主任、博士生导师。

担任Nature Nanotechnology、JACS、Nature Communications、AM、Informat、Nano Research等数十种中外著名期刊审稿人及Magnetochemistry编委。主要研究二维材料及其异质结超晶格等二维复杂高级结构的合成新理论、合成新原理、以及以此为材料平台研究相关物性规律，并探讨其应用前景。近五年相关研究以通讯作者或第一作者发表SCI论文26篇，其中包括Science 1篇，Nature 2篇，Nat. Mater. 1篇，Nat. Nanotechnol. 1篇，Nat. Electron. 1篇，J. Am. Chem. Soc. 3篇, Chem. Soc. Rev. 2篇, Nano Lett 2篇，ACS Nano 3篇，Adv. Mater. 2篇，Adv. Fun. Mater 2篇，Angew. Chem. Int. Ed. 1篇等，2017年获湖南省自然科学一等奖（排名第二），2017年获中国电子科技十大进展奖，2019年获国家自然科学二等奖（排名第三），2020年获中国材料研究学会科学技术奖一等奖（排名第一），2020年获中国半导体十大研究进展奖。

第一作者

吴瑞霞，理学博士。

2022年6月博士毕业于湖南大学化学化工学院。研究方向为二维材料的可控制备及其电学性能的研究。目前，在Nature、Nat. Mater.、Nat. Electron.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等知名学术期刊上发表论文20篇。其中，以第一作者身份、湖南大学为第一单位发表Nat. Electron.、Adv. Funct. Mater. 各1篇，共同一作身份发表 Adv. Funct. Mater 1篇，申请中国发明专利3项（已公开），其中2项已授权。

第一作者

陶全洋，湖南大学2018级博士生。

研究方向是二维晶体管的范德华集成工艺。目前已在Nat. Electron.、Nat. Commun.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.、Small等期刊上共发表文章15篇，其中以第一作者身份发表Nat. Commun. 一篇，共同一作身份发表Nat. Electron.、Adv. Funct. Mater.各一篇，总被引超过300次。

3 原文传递

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https://www.nature.com/articles/s41928-022-00800-3

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