單層二硫化鉬低功耗柔性集成電路兼具高性能和低功耗

柔性電子是一種新興技術，在信息、能源、生物醫(yī)療等領域具有廣闊的應用前景。其中，柔性集成電路可用于便攜式、可穿戴、可植入式的電子產(chǎn)品中，對器件的低功耗提出了極高的技術需求。相對于傳統(tǒng)半導體材料，單層二硫化鉬二維半導體具有原子級厚度、合適的帶隙且兼具剛性（面內(nèi)）和柔性（面外），是一種備受矚目的柔性集成電路溝道材料。

然而，推動二維半導體柔性集成電路走向?qū)嶋H應用并形成競爭力，降低器件功耗、同時保持器件性能是關鍵技術挑戰(zhàn)之一。




圖1 采用埋柵工藝制備的高性能二硫化鉬場效應器件 中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心張廣宇研究員課題組器件研究方向近年來一直聚焦于二維半導體，在高質(zhì)量二維半導體晶圓制備、柔性薄膜晶體管器件和集成電路等方向取得了重要進展，在國際上相關研究領域中處于前列。近年來的代表性工作包括實現(xiàn)了百微米以上大晶疇及高定向的單層二硫化鉬4英寸晶圓（Nano Lett 2020; 20, 7193）并進而利用逐層外延實現(xiàn)了層數(shù)控制的多層二硫化鉬4英寸晶圓（Natl Sci Rev 2022; 9(6): nwac077）；率先實現(xiàn)了單層二硫化鉬柔性晶體管和邏輯門電路的大面積集成（Nat. Electron. 2020; 3, 711）；展示了單層二硫化鉬柔性環(huán)振電路的人工視網(wǎng)膜應用，模擬了人眼感光后電脈沖信號產(chǎn)生、傳導和處理的功能（ACS Nano 2023; 17, 2, 991）。



圖2. 四英寸柔性二硫化鉬場效應器件的制備、電學測量和均勻性表征

近期，該課題組博士生湯建、田金朋等發(fā)展了一種金屬埋柵結合超薄柵介質(zhì)層沉積工藝（圖一），成功將高介電常數(shù)HfO?柵介質(zhì)層厚度縮減至5 nm，對應等效氧化物厚度（EOT）降低至1 nm。所制備的硬襯底上的場效應晶體管器件操作電壓可以等比例縮放至3 V以內(nèi)，亞閾值擺幅達到75 mV/dec，接近室溫極限60 mV/dec。同時，通過優(yōu)化金屬沉積工藝，使得金屬電極與二硫化鉬之間無損傷接觸，避免費米能級釘扎，使接觸電阻降低至Rc<600 Ω·μm，有效地將溝道長度為50 nm的場效應器件的電流密度提升至0.936 mA/μm @Vds=1.5 V。在此基礎上，他們將該工藝應用于柔性器件的制作。四英寸晶圓尺度下柔性二硫化鉬場效應晶體管陣列及集成電路表現(xiàn)出優(yōu)異的均勻性以及器件性能保持性（圖二）。對隨機選取500個場效應器件進行測試發(fā)現(xiàn)器件兼具高良率（> 96%）、高性能（平均遷移率~70 cm2·V?1·s?1）以及均勻的閾值電壓分布（0.96 ± 0.4 V）。當操作電壓在降低到0.5 V以下時，反相器依然具備大噪音容限和高增益、器件單元功耗低至10.3 pW·μm?1；各種邏輯門電路也能夠保持正確的布爾運算和穩(wěn)定的輸出（圖三）；11階環(huán)振電路可以穩(wěn)定地輸出正弦信號，一直到操作電壓降低到0.3 V以下（圖四）。

圖3 具有低操作電壓的邏輯門電路的大面積制造與電學表征

此工作展示了單層二硫化鉬柔性集成電路可以兼具高性能和低功耗，為二維半導體基集成電路的發(fā)展走向?qū)嶋H應用提供了技術鋪墊。相關結果近期以“Low power flexible monolayer MoS? integrated circuits”為題發(fā)表在Nature Communications 2023; 14, 3633上。

圖4 具有低操作電壓的環(huán)形振蕩器的電學測量表征

審核編輯：劉清