（通讯员 李学飞）9月7日，《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心微纳器件研究课题组李学飞副研究员题为《范德华外延生长三层硫化钼单晶及其高速电子器件》（Van der Waals Epitaxial Trilayer MoS₂Crystals for High-Speed Electronics）的论文。李学飞副研究员为论文第一作者和通讯作者，北京大学吴燕庆研究员为共同通讯作者，团队成员张振丰博士、高婷婷博士以及中心博士生史新航、谷承儒参与相关工作。

二维半导体硫化钼由于具有优异的电学性能和原子层薄的厚度，在尺寸微缩能力上具有很高的应用潜力，吸引了科学界和工业界的广泛兴趣。但是制备高性能单层硫化钼器件面临诸多挑战。一方面，单层硫化钼的载流子容易受到外界杂质的散射导致迁移率显著降低。另外，在器件制备过程中，金属沉积工艺不可避免会损伤单层硫化钼材料，导致费米钉扎效应和很大的接触电阻，严重制约了器件的性能。

为了解决上述难题，该团队研究了三层硫化钼的外延生长及其高速电子器件。与单层硫化钼相比，三层硫化钼具有的合适的禁带宽度和更高的态密度，因此具有更高的迁移率和更低的接触电阻。同时，由于厚度的增加，三层硫化钼可以显著降低外界散射对迁移率的降低以及工艺损伤对器件性能的影响。为此，该团队使用钠钙玻璃为衬底，研究了范德华外延生长三层二硫化钼单晶。通过增加前躯体的质量可以提高其反应浓度来控制三层硫化钼的单晶大小，其尺寸最大可以超过148微米。制备的沟长为5微米的器件开关比达到10¹²，载流子迁移率为62cm²V⁻¹s⁻¹，明显高于单层硫化钼（迁移率为33.6cm²V⁻¹s⁻¹）。

图1 外延生长高迁移率的三层硫化钼

该团队进一步研究了三层硫化钼短沟道器件的性能，使用12纳米厚的HfLaO为栅介质，深入研究了不同沟长的晶体管的电学性能。高分辨透射电镜照片表明，金属Ni和三层硫化钼的接触区域清晰无缺陷。对于沟长为40nm的晶体管，其室温驱动电流达到589μA/μm，4.3K时进一步提高到1162μA/μm，并且低温下没有表现出肖特基现象。通过计算进一步得到器件接触电阻最小达到350Ω·µm，载流子的饱和速度为4.2×10⁶cm/s，是目前文献报道的最高值。这些结果表明三层硫化钼在未来后摩尔电子器件领域将有巨大的应用潜力。

图2 三层硫化钼短沟道器件的性能

依托脉冲强磁场实验装置，微纳器件研究课题组积极致力于研究后摩尔微纳电子器件的研究，包括基于超薄沟道的新型逻辑器件、铁电存储器以及存算一体器件等，近五年来已有多项研究成果发表在Nature Nanotechnology、Nature Electronics、Science Advances、Nature Communications等国际知名期刊。该工作得到了国家自然科学基金委员会及我校等各类项目资助，并得到国家脉冲强磁场科学中心实验平台的大力支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202208091