Nature Electronics，二维TMDs电子设备的性能提升与工业化挑战！
文摘
2024-11-13 07:30
中国
随着二维（2D）材料的发展，基于二维过渡金属二硫化物（TMDs）的电子技术因其优越的性能引起了科学家的广泛关注。二维TMDs是由过渡金属原子与硫族元素原子按层状结构结合而成的材料，其独特的物理化学性质使其在电子器件中表现出极大的潜力。特别是在场效应晶体管（FETs）领域，单层二硒化钨（WSe₂）已实现了室温下超过1000 cm² V⁻¹ s⁻¹的迁移率，而单层二硫化钼（MoS₂）则在接触电阻方面接近量子极限，这些进展显著提升了电子器件的性能和应用范围。然而，尽管二维TMDs的性能展示了巨大的前景，这些材料在实际应用中面临着许多挑战。首先，二维TMDs中存在的点缺陷，如带电硫族元素空位和等价杂质，对器件性能产生了负面影响。高缺陷密度会导致载流子浓度不易调节，从而影响掺杂效果，进而影响器件的开态电流、阈值电压的稳定性以及迁移率。尤其是在电子器件中，缺陷浓度的高低直接影响到器件的性能，因此减少缺陷浓度成为了提升二维TMDs电子性能的关键。此外，二维TMDs的高性能电子器件还需要优化金属接触、电介质以及材料之间的界面。例如，开发高介电常数（high-k）介质，同时保证其对二维TMD通道的影响最小，是实现高性能场效应晶体管的关键。此外，与CMOS兼容的高介电常数介质需要满足工业化生产的标准，以确保器件在实际应用中的可靠性和稳定性。为了解决这些问题，剑桥大学王琰以一作兼通讯、Manish Chhowalla教授团队正在致力于多方面的努力。当前的研究主要集中在高质量低缺陷浓度的二维TMDs材料的生长，以及开发适用于工业的高介电常数介质。这些工作不仅提升了二维TMDs在电子器件中的实际应用性能，也推动了相关技术的工业化进程。通过不断优化材料质量和界面工程，研究者们期望能够克服现有挑战，实现更高性能、更可靠的电子设备，从而推动二维TMDs技术的广泛应用和发展。![]()
【图文解读】
近年来，基于二维过渡金属二硫化物（TMDs）半导体的高性能电子设备已经从一次性的原理验证演示进展到了更为可重复的集成设备。这标志着该领域的技术从实验阶段向实际应用阶段迈出了重要一步。目前，二维TMDs材料的质量以及金属接触、电介质和二维半导体之间的界面需要进一步优化，以提升器件性能。这涉及到对材料的生长工艺和界面处理技术的改进，以确保器件的高效能。研究发现，掺杂、p型接触以及高介电常数介质是二维TMDs电子器件开发中的关键问题。这些问题主要源于二维TMDs中存在的高缺陷密度，这些缺陷会影响器件的性能，包括迁移率和阈值电压的变化。4.建议：低缺陷浓度材料的生长和工业兼容介质的选择：建议研究界更加关注低缺陷浓度的高质量材料的生长，以减少缺陷对性能的负面影响。同时，需要识别适合工业应用的高介电常数介质，以确保二维TMDs设备的实际应用具有可行性、可重复性和稳定性。![]()
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基于二维TMDs的电子技术开发中的核心挑战在于实现低缺陷的晶圆级合成，这对于创建本征通道和潜在掺杂策略至关重要。此外，开发金属/半导体和半导体/介质之间的清洁范德瓦耳斯（vdW）界面也是实现高性能FETs的关键。特别是，需要一种与CMOS兼容的高介电常数（high-k）介质，这种介质不会对二维TMD通道产生不利影响。此外，任何在器件性能方面的突破现在还必须考虑工业兼容性、可扩展性和稳定性，以确保创新成果在实际应用中可行、可重复并且适合广泛采用。原文详情：YWang, Y., Sarkar, S., Yan, H.et al. Critical challenges in the development of electronics based on two-dimensional transition metal dichalcogenides. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01210-3👉 点击左下角“阅读原文”，即可直达原文！💖
