華中科大吳燕慶教授Nature Commun.：基于大面積雙層MoS2的可擴展高性能射頻電子設備

【引言】

二維半導體因其原子級的薄體和優異的載體傳輸性能而在諸如傳感器、存儲器以及邏輯應用等新興的電子產品領域應用中受到極大的關注。無線通信中的柔性電子器件是目前最有前景的領域之一，其中柔性無源元件和有源元件取得了快速發展。盡管石墨烯晶體管在有源射頻元件中廣受關注，石墨烯的無間隙性質導致這些晶體管中的電流飽和度和輸出電導率較差，對于放大和混合高頻信號是不利的。最近，基于MoS₂等二維過度金屬硫化物的高頻晶體管和電路方面取得了很大研究進展，其能夠克服石墨烯的上述關鍵缺點。為了獲得低成本、可擴展的解決方案，許多研究小組發展了利用化學氣相沉積（CVD）大面積合成MoS₂原子薄膜的方法。基于CVD生長單層MoS₂的柔性聚酰亞胺基板上的射頻晶體管參數仍遠低于基于剝離MoS₂的器件，因而嚴重限制了它們的高頻應用。雙層MoS₂的載流子遷移率要高于單層的載流子遷移率，但是通過CVD方法生長的雙層MoS₂尺寸小且遷移率較差，限制了其器件性能。

【成果簡介】

近日，華中科技大學吳燕慶教授課題組報道了一種通過調控CVD生長期間MoO₃前體重量來實現熔融玻璃上具有高遷移率、大面積雙層MoS₂的制備方法。利用該方法可以獲得高達200 μm的疇尺寸，并且所得到的單晶三角形雙層MoS₂展現出36 cm² V^?1 s^?1的室溫電子遷移率。具有優化的高κ電介質的高性能晶體管在300 K時能夠提供427 μA μm^-1的導通電流，同時在4.3 K時提供了1.52 mA μm^-1創紀錄的高導通電流。此外，射頻晶體管的外部高截止頻率為7.2 GHz，記錄的外部最高振蕩頻率為創紀錄的23 GHz。該成果以題為"Scalable high performance radio frequency electronics based on large domain bilayer MoS₂"發表在國際著名期刊Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1 雙層MoS₂在熔融玻璃上的合成和形貌表征

(a) 用于在熔融玻璃上合成雙層MoS₂的CVD裝置的示意圖；

(b-e) CVD生長的MoS₂在熔融玻璃上的光學顯微照片（相應的MoO₃重量分別為1、1.5、3和6 mg；比例尺分別為30、40、50和100 μm）；

(f-g) 轉移后SiO₂/Si襯底上雙層MoS₂的AFM圖像（比例尺為1 μm）；

(h) 線切割A-B，C-D和E-F對應于單層MoS₂的厚度的AFM數據。

圖2 材料成像和晶體結構表征

(a) CVD單層（黑線）和雙層MoS₂（品紅線）的拉曼光譜；

(b) 在385 cm^-1處的峰的拉曼光譜圖；

(c) 在405 cm^-1處的峰的拉曼光譜圖；

(d) CVD單層（黑線）和雙層（品紅線）MoS₂的光致發光光譜；

(e) 在1.85 eV峰值處的PL光譜圖；

(f) 雙層（右）和單層（左）之間邊界的低分辨率TEM圖像；

(g) (f)中雙層區域中的典型SAED圖案的圖像；

(h) AA堆疊雙層MoS₂的HRTEM圖像和原子結構；

(i) 從雙層MoS₂的折疊邊緣記錄的HRTEM圖像。

圖3 室溫和低溫下背門雙層MoS₂晶體管的直流電特性

(a) 具有不同溝道長度的背門MoS₂晶體管的光學顯微照片（比例尺為10 μm）；

(b) 有源器件區域和放大圖片的相應SEM圖像；

(c) 3 μm溝道長度的背門單層（分別為藍線和空心菱形）和雙層（洋紅色線和開放式菱形）MoS₂晶體管在50 mV偏置電壓下I_ds - V_gs傳遞特性和在1 V偏置電壓下g_m -V_gs曲線；

(d) 雙層MoS₂晶體管在300 K的I_ds – V_ds輸出特性；

(e) 雙層MoS₂晶體管在4.3 K的I_ds – V_ds輸出特性；

(f) 提取的固有場效應遷移率與雙層MoS₂ FET溫度的關系圖；

(g) 40 nm（品紅色線）、500 nm（藍色線）和3 μm（黑色線）不同溝道長度的雙層MoS₂晶體管在室溫、50 mV偏壓下I_ds – V_ds傳輸特性；

(h) 溝道長度為40 nm的雙層MoS₂晶體管在300 K和4.3 K條件下I_ds – V_ds輸出曲線。

圖4 短溝道RF晶體管的高頻測量

(a) 雙層MoS₂ RF晶體管的示意圖（S：源極；D：漏極；G：柵極）；

(b) 具有雙溝道結構的MoS₂ RF晶體管的SEM圖像（比例尺為500 nm）；

(c) 對于柵極長度為90 nm的器件，小信號電流增益| h₂₁ |與頻率的關系圖；

(d) 對于柵極長度為90 nm的器件，單邊功率增益U與頻率的關系圖；

(e) 對于柵極長度為90 nm的器件，電壓增益與頻率的關系圖；

(f) 外部f_T與柵極長度的關系圖；

(g) 外部f_max與柵極長度的關系圖；

(h) f_max / f_T與柵極長度的關系圖。

圖5 剛性和柔性基板上Gigahertz MoS₂混頻器

(a) 基于MoS₂ FET的RF混頻器的電路原理圖；

(b) 當f_RF = 1.5 GHz、P_RF = 2 dBm、f_LO = 1.4 GHz、P_LO = 9 dBm時在剛性基板上混頻器的輸出頻譜；

(c) 剛性基板上混合器在f_RF = 1.5 GHz、P_RF = 2 dBm、f_LO = 1.4 GHz時轉換增益與LO功率的關系圖；

(d) 對于柵極長度為300 nm器件在聚酰亞胺上小信號電流增益| h₂₁ |和單邊功率增益U與頻率的關系圖；

(e) 當f_RF = 1.5 GHz、P_RF = 9 dBm、f_LO = 1.4 GHz、P_LO = 9 dBm時在柔性基板上混合器的輸出頻譜；

(f) 當f_RF = 1.5 GHz、P_RF = 9 dBm、f_LO = 1.4 GHz時在柔性基板上混合器轉換增益與LO功率的關系圖。

【小結】

本文報道了一種通過調控CVD生長期間MoO₃前體重量來制備具有高遷移率、大面積雙層MoS₂的方法，通過優化的生長條件可以實現尺寸高達200 μm。基于雙層MoS₂制造的晶體管顯示出高場效應遷移率以及高導通電流。此外，基于這些雙層MoS₂的高性能射頻晶體管被證明具有基于頂門控射頻晶體管創記錄的高外部f_T和f_max。該工作展示了CVD雙層MoS₂在高頻應用和靈活無線通信方面的巨大潛力。

文獻鏈接：Scalable high performance radio frequency electronics based on large domain bilayer MoS_2?(Nat. Commun. 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-07135-8)

本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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