制備二硫化鉬晶體管的新方法

材料牛注：由于各種方法的缺陷，二硫化鉬晶體管的理論性能一直難以實現。美國科學家通過一種簡單方法，先用納米線作為掩模沉積石墨烯和鎳電極，然后利用膠帶手動移除納米線，首次顯著地提高了二硫化鉬基晶體管的性能。

一項新設計使得研究人員能夠造出基于二維二硫化鉬的迄今為止性能最佳的晶體管。盡管仍有很多亟需解決的技術難題，但實驗結果表明，該材料具有將來能和硅相媲美的優良性能。

類似于MoS₂、石墨烯、磷烯等原子級別厚度的二維材料擁有非常獨特的電子性能。這使得它們有取代硅的巨大潛力，或者至少作為剛性硅的潛在柔性替代品。但是在這個之前，研究人員需要證實基于超薄MoS₂的器件的性能可以接近甚至超過硅基器件。

MoS₂有非常高的電遷移率而且是半導體。這意味著可以用它來制備在導電態和絕緣態相互轉化的晶體管，以此充當數字邏輯計算中的1和0。

但是迄今為止，MoS₂的潛力還沒能實現。瑞士聯邦理工學院洛桑分校的電子工程師Andras Kis說，“我們非常清楚這種理論是可行的，但是不清楚應該怎樣去實現。”他并沒有參與當前的這項研究。

加州大學洛杉磯分校的化工工程師段鑲鋒表示，MoS₂的一個主要缺陷就是接觸電阻問題。為了制造一個晶體管，研究人員不僅需要一種半導體材料，同時還需要加上電極以施加電壓來改變材料的導電態。他們在如何在MoS₂上添加電觸點上遇到了很大的困難。純金屬在這一材料表面有很高的接觸電阻。過去的研究表明金屬與石墨烯等其他材料進行復合接觸時，所需的嚴苛制備方法，如等離子體刻蝕，將會損害MoS₂薄層。這種損害阻礙了電流流通，同時使得晶體管有很高的接觸電阻，也降低了晶體管的開關速度，最終導致電路運行緩慢。

為了解決這個問題，研究人員在MoS₂薄片的表面放置了一根大概80nm直徑的硅納米線作為掩模，在薄片和納米線之上加鍍一層石墨烯。接著在表面再沉積一層鎳來作為電極，而納米線的位置會有突起。最后通過膠帶機械地去除被包覆的納米線。最終形成一個可作為晶體管活性區的二硫化鉬溝道，同時兩側連接著混合石墨烯－鎳電極。這種機械方法不會像蝕刻般破壞溝道。

石墨烯以兩種方式來對二硫化鉬起到緩沖作用：首先它可以防止鎳沉積過程中引起任何化學或機械損傷，同時它還促進了電流在其它材料之間的流動。這些晶體管有0.21 kΩ-μm 的創紀錄的低接觸電阻。

Kis說，低接觸電阻是這一材料的一個重要里程碑，它比之前展示的器件好了7到10倍之多。但目前還是難以與硅相媲美，因為硅芯片技術已經成熟，且硅晶體管可達十分之一于二氧化鉬晶體管的大小。段鑲鋒說，雖然在他實驗室的演示中超薄二硫化鉬性能并不及硅，但他認為該工作表明該材料能夠成為制備計算機處理器，或者柔性或可穿戴設備的有力競爭者。

由于現今晶體管是用膠帶手工制作，最終實現應用可能需要很長的一段時間，不過，這項工作最重要的就是說明這種電子性能是完全可能的，Kis說道。

段鑲鋒小組的下一步就是證明低接觸電阻可以轉化為電子工程師和電路設計者最終關心的高開關轉換速度。

原文鏈接：Molybdenum disulfide transistors break through a performance limit

文獻鏈接：Pushing the Performance Limit of Sub-100 nm Molybdenum Disulfide Transistors

本文由編輯部楊洪期提供素材，史文武編譯，時冰遙審核；點我加入材料人編輯部