二維半導(dǎo)體可以用于非常有用的應(yīng)用，特別是作為低功率晶體管的溝道材料。這些材料在極端厚度下顯示出高遷移率，這使得它們特別有希望在電子產(chǎn)品制造中取代硅。

盡管這些材料具有優(yōu)勢，但迄今為止，在晶體管中實現(xiàn)這些材料被證明是具有挑戰(zhàn)性的。事實上，二維半導(dǎo)體是一種無懸掛鍵的性質(zhì)。因此，眾所周知，通過原子層沉積(ALD)在材料上沉積超薄高柵極電介質(zhì)(即具有介電性能或絕緣體)是非常困難的，這通常會導(dǎo)致薄膜不連續(xù)。

中國南京大學(xué)的研究人員最近提出了一種新的策略來克服這一限制，最終允許在二維半導(dǎo)體上沉積柵極電介質(zhì)。在發(fā)表于《自然電子》 (Nature Electronics)的一篇論文中，他們報道了利用分子晶體作為種子層，在二維半導(dǎo)體上成功制備高柵介質(zhì)。

進(jìn)行這項研究的研究人員之一王欣然告訴TechXplore:“我們的研究試圖解決二維晶體管的高質(zhì)量柵極電介質(zhì)集成問題?！痹谧钕冗M(jìn)的硅晶體管中，有效氧化物厚度(EOT)降低到亞1納米。目前二維材料在EOT、界面態(tài)密度(Dit)和柵漏等方面與Si存在較大差距。如果我們想認(rèn)真推廣二維晶體管技術(shù)，就必須克服這個差距。"

王和他的同事介紹的方法可以在石墨烯、二硫化鉬(MoS2)和二硒化鎢(WSe2)上產(chǎn)生等效氧化物厚度為1nm的電介質(zhì)。與用更傳統(tǒng)的方法生產(chǎn)的電介質(zhì)相比，用研究人員的方法生產(chǎn)的電介質(zhì)顯示出降低的粗糙度、界面態(tài)密度和泄漏。有趣的是，它們還提供了改進(jìn)的擊穿場。

除了二維晶體管，我的研究團(tuán)隊探索的另一個方向是有機(jī)電子學(xué)?！霸谶^去的幾年里，我們開發(fā)了一種手段來精確控制二維材料的表面分子組裝。對于包括PT CDA在內(nèi)的很多分子，我們已經(jīng)證明可以很好的控制生長，并且只有單層(~ 0.3nm)沉積均勻，界面非常干凈。

王及其研究團(tuán)隊在前期工作中創(chuàng)建的界面層是目前最薄的界面層之一。在這項研究中，他們使用這一層來制造工作在60千兆赫的石墨烯射頻晶體管和具有二硫化鉬和二硫化鎢的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管。電源電壓為0.8V，亞閾值波動為60mVdec-1。最后，他們還利用他們的技術(shù)創(chuàng)造了一個溝道長度為20納米的二硫化鉬晶體管，其開關(guān)比超過了107。

“我認(rèn)為我們最顯著的結(jié)果是，我們可以在二維材料中實現(xiàn)1毫米的EOT，”王說?！耙话阏J(rèn)為，與體半導(dǎo)體相比，二維溝道可以降低晶體管的功耗。然而，為了實現(xiàn)這一點，我們必須使用相同的工作電壓，并且晶體管可以急劇關(guān)斷(亞閾值擺幅接近60mV/dec)。這兩個量很大程度上取決于柵極電介質(zhì)的質(zhì)量和厚度。我們的研究真正證明了二維半導(dǎo)體在低功耗電子產(chǎn)品中的潛力。

王和他的研究團(tuán)隊第一個成功地開發(fā)了具有1nmEOT的二維晶體管，并成功地切斷了三種不同材料上的電介質(zhì)。值得注意的是，由它們獲得的EOT和柵極泄漏與在最先進(jìn)的硅CMOS中觀察到的相當(dāng)，這是該研究領(lǐng)域向前邁出的重要一步。

王思超說：“我覺得還有很大的提升空間。例如，二維晶體管中的Dit仍然比SiCMOS高2個數(shù)量級。此外，使用更高k的氧化物有利于進(jìn)一步將EOT降低到0.8nm。最后，我們開發(fā)的材料與現(xiàn)有CMOS工藝之間的兼容性需要研究。