大面積柔性透明的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管及各種邏輯器件

“未來的手機(jī)可以是柔性的，高清柔性顯示屏可讓手機(jī)像報紙一樣卷起來。” 松山湖材料實驗室副主任、研究員張廣宇談及該團(tuán)隊的最新研究時，展望了未來手機(jī)的發(fā)展趨勢。9月21日，該團(tuán)隊的論文《基于單層二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的大面積柔性透明電子器件》（Large-scale flexible and transparent electronics based on monolayer molybdenum disulfide field-effect transistors）發(fā)表在電子學(xué)期刊 Natureelectronics 上。松山湖材料實驗室的學(xué)術(shù)背景雄厚，是由中國科學(xué)院物理研究所牽頭，東莞市政府、中科院物理所和高能物理研究所共建。

實驗利用外延生長得到的四英寸高質(zhì)量、高定向單層二硫化鉬薄膜，結(jié)合傳統(tǒng)的微加工工藝，通過優(yōu)化絕緣層與接觸電阻，制備出了大面積柔性透明的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管及各種邏輯器件。

這些器件表現(xiàn)出了優(yōu)異的特性：晶體管器件密度可達(dá) 1518 個 / 平方厘米，成品率高達(dá) 97%，是目前已報道結(jié)果中最高指標(biāo)；單個器件也表現(xiàn)出較好的電學(xué)性能和柔韌性。

該工作由中科院物理所與松山湖材料實驗室聯(lián)合完成，并得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院 B 類先導(dǎo)專項、中科院青促會等項目的資助。

圖 | 項目研制出大面積柔性二硫化鉬晶體管以及邏輯器件

二硫化鉬可彌補(bǔ)硅的不足

本次研究主要用到的材料是二維半導(dǎo)體材料 —— 單層二硫化鉬（MoS2）。目前，在半導(dǎo)體器件發(fā)展微型化和柔性化的驅(qū)動下，以二硫化鉬等為代表的二維半導(dǎo)體材料表現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，其不僅具有優(yōu)異的光、電、機(jī)械性能，且具有超薄透明的物理特性，最薄可以做到只有一個原子層厚度，非常適用于制備更輕、更薄、更快、更靈敏的電子學(xué)器件。

2015 年，國際半導(dǎo)體聯(lián)盟在技術(shù)路線圖（ITRS）中指出，二維半導(dǎo)體是下一代半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵材料。

然而，當(dāng)前以器件應(yīng)用為背景的單層二硫化鉬研究，仍面臨兩大問題：

1、在材料制備上，難以獲得高質(zhì)量大尺度二硫化鉬晶圓；

2、在器件工藝上，難以實現(xiàn)高密度、高性能、大面積均一的器件加工。這也是新型半導(dǎo)體材料從實驗室走向市場要克服的共性問題。

如果上述問題得到解決，二硫化鉬在柔性電子產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用也將更快。

目前，單層二硫化鉬晶圓面臨著晶粒尺寸較小、取向隨機(jī)等問題，大量晶界（Grain Boundary，結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒之間的界面）的存在導(dǎo)致材料的電學(xué)質(zhì)量較差。并且，晶界的不均勻分布會導(dǎo)致器件均勻性很差，所以無法集成高端電子器件。

為解決上述難題，張廣宇團(tuán)隊利用自主設(shè)計搭建的多源化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，采用立式生長和多點形核的方法，在藍(lán)寶石襯底上外延制備出了四英寸高質(zhì)量連續(xù)單層二硫化鉬晶圓。

由于是外延生長，首先需要一個單晶襯底。在常規(guī)半導(dǎo)體領(lǐng)域，使用單晶藍(lán)寶石襯底外延砷化鎵和氮化鎵時，外延材料要根據(jù)襯底晶格來增加適配的緩沖層，由此來減小材料與襯底之間的晶格失配度。

但是，二硫化鉬等二維材料表面沒有懸鍵，和襯底表面的相互作用比較弱，對晶格匹配度要求不高，屬于范德瓦爾斯外延，因此能在四英寸藍(lán)寶石襯底上直接實現(xiàn)單層二硫化鉬的外延生長。

所外延的高質(zhì)量薄膜由高定向（0° 和 60°）大晶粒拼接而成，薄膜中只存在孿晶界，利用高分辨透射電子顯微鏡觀測到了近乎完美的 4|4E 型晶界，且平均晶粒尺寸大于 100 μm，大幅提升了晶圓的晶體質(zhì)量，該工作發(fā)表在近期的 Nano Letters 上。

得益于獨特的多源設(shè)計，所制備的晶圓具有顯著的均勻性。談及該多源設(shè)計，張廣宇舉了一個形象的例子：就像拿一個噴壺往墻上噴水，第一代設(shè)備只有一個噴頭，這時噴的區(qū)域比較??；

第二代設(shè)備是用三個噴頭一起噴，這樣噴出的面積就能擴(kuò)大三倍；第三代設(shè)備是用六個源一起噴，這種情況下噴出的區(qū)域更大，更均勻。

盡管二硫化鉬有這么多優(yōu)勢，但是二硫化鉬目前還無法替代硅。張廣宇告訴 DeepTech，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，硅材料已經(jīng)探索研究了將近七八十年，相關(guān)器件發(fā)展了五六十年。

硅在材料制備和器件加工等方面都已非常成熟，因此也順理成章成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的主流。其他半導(dǎo)體材料某些電子學(xué)性能優(yōu)于硅，但是依然面臨著材料、加工工藝等問題，因此無法替代硅。同理，二硫化鉬也不是要取代硅，而是要彌補(bǔ)硅的不足，發(fā)揮材料自身的優(yōu)勢。

張廣宇表示，硅材料的發(fā)展有一定的瓶頸，摩爾定理已撞到天花板，下一步要實現(xiàn) 3 納米以下的器件。但是如果將硅電子器件尺寸縮到十納米以下，其性能就會呈現(xiàn)大幅下降。而二硫化鉬等二維半導(dǎo)體材料非常薄，能解決原理性障礙，因此展示出巨大優(yōu)勢。

自主設(shè)計多源化學(xué)氣相沉積設(shè)備

本次研究用到的主要設(shè)備，是該團(tuán)隊自主設(shè)計的四英寸多源化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)。張廣宇說，除爐子和配件是采用商業(yè)化產(chǎn)品外，其余都是自行設(shè)計搭建的。

團(tuán)隊在設(shè)備方面也進(jìn)行了專利布局，現(xiàn)已授權(quán)東莞市卓聚科技有限公司共同合作推進(jìn)國產(chǎn)高性能化學(xué)氣相沉積設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化。

該設(shè)備主要用于 TMDs 材料的外延生長，目前已經(jīng)造到第三代，不同代際之間的區(qū)別，在于可以兼容大樣品的生長。以微波爐為例，原來能放一個碗，變大后可以放十個碗，即把上述設(shè)備的系統(tǒng)擴(kuò)大了。

除上述獨特的生長技術(shù)之外。本次成果還得益于三大器件加工工藝：采用兼容的微加工工藝逐層制作器件；采用獨特的物理吸附與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的原子層沉積方法；采用金 / 鈦 / 金多層結(jié)構(gòu)作為接觸電極。

圖 | 二硫化鉬柔性場效應(yīng)晶體管的性能表征

談及這三大工藝，張廣宇表示，在器件加工過程中，該團(tuán)隊采用傳統(tǒng)的微加工工藝，逐層制作器件，實現(xiàn)了器件層與層之間的潔凈和兼容，保證了器件陣列的大面積均一性。這種利用半導(dǎo)體工藝中的標(biāo)準(zhǔn)微加工辦法，有利于快速走向市場。

另一方面是采用物理吸附與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的原子層沉積方法，提高器件絕緣層質(zhì)量。由于二維材料表面缺少懸鍵，利用傳統(tǒng)的原子層沉積方法（化學(xué)吸附）無法將高介電絕緣材料（氧化鋁或氧化鉿等）沉積在二維材料或者金表面。

改進(jìn)的原子層沉積方法首先是利用過量的源脈沖，使其物理吸附在材料表面，之后利用多個脈沖的水將源逐層氧化為氧化鋁或氧化鉿，實現(xiàn)絕緣層在金底電極以及二維材料上的高致密度直接沉積，因此保障了器件絕緣柵的高質(zhì)量。

在接觸電極的優(yōu)化上，該團(tuán)隊采用三層金 / 鈦 / 金結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)中間加一層鈦，這樣既降低了接觸電阻，也解決了機(jī)械性能問題，電極因此變得非常穩(wěn)定。據(jù)張廣宇介紹，無論在柔性器件上面怎么 “折騰”，電極都不會脫落。

圖 | 基于二硫化鉬的柔性邏輯器件

圖 | 柔性器件在應(yīng)力下的電學(xué)性能

達(dá)到國際最高電子學(xué)質(zhì)量

提及本次研究達(dá)到 “國際最高電子學(xué)質(zhì)量二硫化鉬”，張廣宇告訴 DeepTech，在材料結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵指標(biāo)上，如晶粒大小、取向、晶界密度，目前國際上尚無其他方法可以出其右。

該團(tuán)隊制備出的大面積柔性二硫化鉬電子器件具有高密度、高產(chǎn)率以及高性能。值得注意的是器件暗電流非常?。ò亠w安以下），因此可用于制備低功耗器件。

舉例來說，即使電腦處于待機(jī)狀態(tài)，其 CPU 看起來不運作但它也在耗電，本身也有暗電流。因此，當(dāng)器件的暗電流非常小時，就可以降低靜態(tài)功耗。

該團(tuán)隊在二硫化鉬的器件研究目前主要集中在三個方向：低功耗器件、高性能器件和柔性器件。據(jù)悉，當(dāng)前部分半導(dǎo)體器件的性能已達(dá)到極限，這是材料本身特點決定的。

現(xiàn)階段，該團(tuán)隊最關(guān)注的是柔性器件，這類器件不需達(dá)到性能極致或超低功耗，只需一定的柔韌性，在彎、揉、拉、壓等情況下，其性能不會有太大變化。

張廣宇表示，本次研究可推動二維半導(dǎo)體材料在柔性顯示屏以及智能可穿戴設(shè)備方面的應(yīng)用。短期內(nèi)，該團(tuán)隊集中攻關(guān)的產(chǎn)品是柔性顯示屏。

張廣宇認(rèn)為，在未來 10-20 年，柔性可穿戴設(shè)備具有很大的市場前景。以隱形眼鏡為例，未來的隱形眼鏡或?qū)⑹羌梢粋€屏幕和控制面板的柔性器件，同時，這種隱形眼鏡也更加智能化，可以用來瀏覽信息。

目前，國際上有不少團(tuán)隊一直在進(jìn)行二硫化鉬晶圓和器件方面的研究，但是其晶圓質(zhì)量與該團(tuán)隊的水平相比尚有差距。據(jù)張廣宇介紹，本次論文發(fā)表后，很多國內(nèi)外同行都認(rèn)為我們團(tuán)隊的材料是 “世界上最好的二硫化鉬”，紛紛來尋求樣品合作。

之所以目前還局限于實驗室階段，是因為該產(chǎn)品還處于一個試驗時期，距離真正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)界，還需要相當(dāng)長的過程。目前，韓國三星、中國臺灣某芯片廠商，也都在推進(jìn)相關(guān)方向的研究，未來在科研界和產(chǎn)業(yè)界的集體攻關(guān)下，應(yīng)該會取得突破性的進(jìn)展。

張廣宇團(tuán)隊的中長期規(guī)劃，是做柔性顯示，遠(yuǎn)期計劃是做高端邏輯器件。不久的將來，或許中國用戶將最先用上包含該團(tuán)隊技術(shù)的產(chǎn)品。

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