过渡金属二硫化物成为未来晶体管开发的重要材料

电子工程师不断尝试开发更薄、更高效和性能更好的晶体管，这是大多数现代电子产品的核心半导体器件。为此，他们一直在评估各种材料的潜力。过渡金属二硫化物 (TMD) 是一种基于过渡金属和硫属元素的化合物，具有非常有吸引力的电子和机械性能，使其成为开发未来几代晶体管的有前途的候选者。最值得注意的是，它们具有原子级薄结构，没有悬空键和类似于硅的带隙。

金属半导体结是现代电子器件中不可或缺的重要组成部分。近年来出现的二维半导体 (例如过渡金属二硫化合物)，由于其合适的能隙，光滑的表面结构，有望突破传统硅基半导体的限制，实现纳米尺度上的新型电子器件。目前实验上已经开始研究多种金属和二维半导体材料的复合结构，成功实现了原子尺度上的晶体管效应。但是由于缺乏对金属电极和二维半导体材料相互作用的理论认识，导致实验研究中载流子注入效率和载流子迁移率都较低，阻碍了这个领域的发展。本项目拟采用密度泛函理论的方法，以金属与过渡金属二硫属化物复合结构为对象，研究二硫化物相结构、金属电极的功函数、复合结构轨道的匹配性、以及门压等外界因素对金属半导体结接触能垒和电阻的影响，揭示它们相互作用的机制，总结一般规律，力求得到一个较清晰的物理图像。在此基础上，分析降低接触势垒，提高载流子注入效率和迁移率的可靠途径，为进一步的实验研究提供理论依据。

尽管具有优势特性，但过渡金属二硫化物(TMD) 尚未用于大规模制造晶体管。造成这种情况的主要原因是这些材料和基板之间的界面处的粘附能较弱，这使得它们的广泛制造具有挑战性。

三星电子和芝加哥大学的研究人员最近确定了一种策略，可以在晶圆级上可靠地集成基于 TMD 的场效应晶体管(FET)。他们在Nature Electronics上发表的一篇论文中介绍了他们提出的方法，该方法基于粘附光刻技术的使用，这是一种在不同材料样品之间形成纳米级间隙的创新技术。

“基于二维材料的场效应晶体管是下一代半导体芯片中硅基器件的潜在替代品，”Van Luan Nguyen 和他的同事在他们的论文中写道。“然而，二维材料和基板之间的界面粘附能量较弱，可能导致晶圆级晶体管的良率低和不均匀。此外，传统的光刻工艺——包括光化学反应和化学蚀刻——会损坏原子级薄的材料。”

作为他们研究的一部分，Nguyen 和他的同事证明了二维材料和不同基材之间的界面粘附能 (IAE) 可以使用四点弯曲法进行量化。然后，他们使用化学气相沉积 法生长二维材料二硫化钼(MoS 2 ) 和石墨烯。

随后，他们研究了固有材料缺陷对大表面积材料 IAE 值的影响。为了在材料和基板之间形成界面，他们最终将材料转移到金属或绝缘层上。

Nguyen 和他的同事在他们的论文中解释道：“我们表明，二维材料与不同基材之间的界面粘附能可以使用四点弯曲法进行量化。” “我们发现二硫化钼/二氧化硅界面的界面粘附能为 0.2 J m −2，可以通过结合具有不同末端终止化学的自组装单分子层将其从 0 调节到 1.0 J m −2 。我们使用这创造了一种基于粘附能量差异和物理蚀刻工艺的粘附光刻方法。”

Nguyen 和他的同事证明了他们的制造策略的可行性，他们使用它来生产超过 10,000 个基于 6 英寸晶圆的二硫化钼 FET，获得了令人印象深刻的几乎 100% 的产量。未来，他们提出的方法可以进一步完善和改进，通过减少错误和提高这些材料与基板之间的附着力，有可能实现基于过渡金属二硫化物(TMD)的 FET 的大规模制造。