山東大學韓琳教授課題組在新型電子材料器件研究中取得新進展

鋼鐵俠 3年前 (2020-05-21) 3442瀏覽

近日，山東大學韓琳教授課題組在新型電子材料器件領域取得新進展，研究人員采用低晶格失配（1.1%）的Se與InSe的垂直范德華異質結來改善金屬半導體接觸界面條件，可以有效的避免直接金屬化帶來的化學無序及費米釘扎效應。相關結果以“Low Lattice Mismatch InSe–Se Vertical Van der Waals Heterostructure for High-performance Transistors via Strong Fermi-Level Depinning”為題，發表于微尺度領域權威期刊《Small Methods》上（即時影響因子預測12.5-15），并被邀請為封面文章（Cover），山東大學為獨立通訊單位，韓琳教授和劉宏教授為通訊作者，山東大學碩士研究生姜建峰、中科院物理所研究生孟繁琪、濟南大學研究生程琦琳和講師王愛珠為共同第一作者。

目前國際上針對高性能的二維電子器件來說，最核心的難點就是金屬與二維半導體材料之間的接觸問題，特別是在低的工作電壓范圍和短溝道的器件中，它極大的阻礙了本征半導體材料高性能的發揮，這是電子器件的性能遠低于其理論值主要因素之一。由于二維半導體材料表面界面的復雜性，直接在材料的表面蒸鍍金屬電極的傳統方式很難將接觸做到最好，如何優化金屬與二維半導體的接觸界面是一項重要的技術挑戰。直接蒸鍍金屬的過程引起了2D半導體材料表面的摻雜和損害，導致了接觸界面的化學無序和費米釘扎。另外化學吸附在二維半導體表面的污染物（特別是水和碳氫化合物）產生的界面態，鉗住了二維界面的費米能級，使得載流子在金屬和半導體之間的輸運中有一個較高勢壘的存在，增加了接觸電阻降低驅動電流。因此需要一種更加簡便有效的策略去改善接觸條件以提高二維電子器件的性能。針對上述難點，課題組發展了一種低晶格失配（1.1%）的Se與InSe的垂直范德華異質結來改善二維接觸條件，這是一種簡單有效的策略可以讓半導體表面避免了直接金屬化的破壞和化學無序。我們利用球差校正STEM為異質結的構建提供了直接的證據，CVD方法生長的二維Se與二維InSe之間形成的是范德化結。Se層不僅可以防止在InSe表面直接蒸鍍金屬導致的破壞，還可以對InSe進行封裝以提高器件的穩定性，超薄層Se的存在能夠有效的避免界面的費米釘扎效應。新型范德華異質結器件具有高達2500cm²/V·s的超高場效應電子遷移率，mA量級的開態電流，低至-0.7V的閾值電壓和1.4V的回滯。在兩個月的自然環境保存后，器件的場效應遷移率只有3.46%的衰減。器件整體性能達到國際先進水平，此外在實際應用中，與InSe器件相比，InSe-Se異質結器件具有更快的光響應時間和更寬的波長響應范圍。研究組提出的InSe-Se異質結策略是一種很有價值的方式，可以很容易的擴展到其他的低維半導體，為構建高性能的二維電子和光電子器件開辟了新的道路。

圖1.InSe-Se異質結場效應晶體管的電學特性和電學穩定性。（a）異質結晶體管和InSe 晶體管中InSe厚度對場效應遷移率的影響，（b）異質結晶體管中Se的厚度對場效應遷移率的影響，（c）不同Se的厚度下異質結晶體管的轉移特性，V_DS= 1V,(d)頂柵結構30 nm-InSe FET線性區（－0.5-0.5V）的輸出特性曲線，(e) 5 nm-Se異質結晶體管線性區（－0.5-0.5V）的輸出特性曲線，(f) 10 nm-Se異質結晶體管線性區（－0.5-0.5V）的輸出特性曲線，(g) 頂柵結構30 nm-InSe FET飽和區輸出特性曲線，(h) 5 nm-Se異質結晶體管飽和區輸出特性曲線，(i) 10 nm-Se異質結晶體管飽和區輸出特性曲線，(j) InSe 晶體管和具有不同Se厚度的異質結晶體管的g_D-V_DS特性，(k)飽和區晶體管的溝道電阻，(l) 異質結晶體管的的轉移特性曲線，(m)異質結晶體管的30次回滯曲線測試，(n)場效應遷移率隨著常溫保存時間的退化。

近兩年，韓琳教授及其研究團隊在新型電子材料器件、生物醫學及其前沿交叉應用領域取得一系列進展。包括：低功率氮等離子體快速修復本征缺陷的高性能二電子器件（Small, 2019, 1901791. 正封底文章，IF: 10.856），基于微流控技術的單細胞分析（Small, 2019, 1905001. 封面文章，IF: 10.856），針對神經信號進行實時原位檢測的高穩定性的新型電子器件（npj 2D Materiuals and Applications, 2019, 3, 29. Nature旗下，2019 即時預測影響因子7.5-10），基于壓電子學效應的高靈敏的二維壓力傳感器（Nano Energy, 2020, 70, 1044457. IF: 15.548）等高水平成果。相關工作被Materials Views China和材料人等學術媒體多次報道，被領域權威期刊Chem. Rev. Adv. Func. Mater. Research(AAAS)等多次引用報道，受到同行的廣泛關注。

相關研究工作得到了國家重點研發項目、國家自然科學基金項目、山東省杰出青年基金項目、山東省重大科技創新工程、山東大學齊魯青年學者、山東大學青年交叉科學創新群體等項目的支持。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201901791

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201970279

https://www.nature.com/articles/s41699-019-0110-x

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520300136