华中科大吴燕庆教授Nature Commun.：基于大面积双层MoS2的可扩展高性能射频电子设备

【引言】

二维半导体因其原子级的薄体和优异的载体传输性能而在诸如传感器、存储器以及逻辑应用等新兴的电子产品领域应用中受到极大的关注。无线通信中的柔性电子器件是目前最有前景的领域之一，其中柔性无源元件和有源元件取得了快速发展。尽管石墨烯晶体管在有源射频元件中广受关注，石墨烯的无间隙性质导致这些晶体管中的电流饱和度和输出电导率较差，对于放大和混合高频信号是不利的。最近，基于MoS₂等二维过度金属硫化物的高频晶体管和电路方面取得了很大研究进展，其能够克服石墨烯的上述关键缺点。为了获得低成本、可扩展的解决方案，许多研究小组发展了利用化学气相沉积（CVD）大面积合成MoS₂原子薄膜的方法。基于CVD生长单层MoS₂的柔性聚酰亚胺基板上的射频晶体管参数仍远低于基于剥离MoS₂的器件，因而严重限制了它们的高频应用。双层MoS₂的载流子迁移率要高于单层的载流子迁移率，但是通过CVD方法生长的双层MoS₂尺寸小且迁移率较差，限制了其器件性能。

【成果简介】

近日，华中科技大学吴燕庆教授课题组报道了一种通过调控CVD生长期间MoO₃前体重量来实现熔融玻璃上具有高迁移率、大面积双层MoS₂的制备方法。利用该方法可以获得高达200 μm的畴尺寸，并且所得到的单晶三角形双层MoS₂展现出36 cm² V⁻¹ s⁻¹的室温电子迁移率。具有优化的高κ电介质的高性能晶体管在300 K时能够提供427 μA μm^-1的导通电流，同时在4.3 K时提供了1.52 mA μm^-1创纪录的高导通电流。此外，射频晶体管的外部高截止频率为7.2 GHz，记录的外部最高振荡频率为创纪录的23 GHz。该成果以题为"Scalable high performance radio frequency electronics based on large domain bilayer MoS₂"发表在国际著名期刊Nature Communications上。

【图文导读】

图1 双层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双层MoS₂的CVD装置的示意图；

(b-e) CVD生长的MoS₂在熔融玻璃上的光学显微照片（相应的MoO₃重量分别为1、1.5、3和6 mg；比例尺分别为30、40、50和100 μm）；

(f-g) 转移后SiO₂/Si衬底上双层MoS₂的AFM图像（比例尺为1 μm）；

(h) 线切割A-B，C-D和E-F对应于单层MoS₂的厚度的AFM数据。

图2 材料成像和晶体结构表征

(a) CVD单层（黑线）和双层MoS₂（品红线）的拉曼光谱；

(b) 在385 cm^-1处的峰的拉曼光谱图；

(c) 在405 cm^-1处的峰的拉曼光谱图；

(d) CVD单层（黑线）和双层（品红线）MoS₂的光致发光光谱；

(e) 在1.85 eV峰值处的PL光谱图；

(f) 双层（右）和单层（左）之间边界的低分辨率TEM图像；

(g) (f)中双层区域中的典型SAED图案的图像；

(h) AA堆叠双层MoS₂的HRTEM图像和原子结构；

(i) 从双层MoS₂的折叠边缘记录的HRTEM图像。

图3 室温和低温下背门双层MoS₂晶体管的直流电特性

(a) 具有不同沟道长度的背门MoS₂晶体管的光学显微照片（比例尺为10 μm）；

(b) 有源器件区域和放大图片的相应SEM图像；

(c) 3 μm沟道长度的背门单层（分别为蓝线和空心菱形）和双层（洋红色线和开放式菱形）MoS₂晶体管在50 mV偏置电压下I_ds - V_gs传递特性和在1 V偏置电压下g_m -V_gs曲线；

(d) 双层MoS₂晶体管在300 K的I_ds – V_ds输出特性；

(e) 双层MoS₂晶体管在4.3 K的I_ds – V_ds输出特性；

(f) 提取的固有场效应迁移率与双层MoS₂ FET温度的关系图；

(g) 40 nm（品红色线）、500 nm（蓝色线）和3 μm（黑色线）不同沟道长度的双层MoS₂晶体管在室温、50 mV偏压下I_ds – V_ds传输特性；

(h) 沟道长度为40 nm的双层MoS₂晶体管在300 K和4.3 K条件下I_ds – V_ds输出曲线。

图4 短沟道RF晶体管的高频测量

(a) 双层MoS₂ RF晶体管的示意图（S：源极；D：漏极；G：栅极）；

(b) 具有双沟道结构的MoS₂ RF晶体管的SEM图像（比例尺为500 nm）；

(c) 对于栅极长度为90 nm的器件，小信号电流增益| h₂₁ |与频率的关系图；

(d) 对于栅极长度为90 nm的器件，单边功率增益U与频率的关系图；

(e) 对于栅极长度为90 nm的器件，电压增益与频率的关系图；

(f) 外部f_T与栅极长度的关系图；

(g) 外部f_max与栅极长度的关系图；

(h) f_max / f_T与栅极长度的关系图。

图5 刚性和柔性基板上Gigahertz MoS₂混频器

(a) 基于MoS₂ FET的RF混频器的电路原理图；

(b) 当f_RF = 1.5 GHz、P_RF = 2 dBm、f_LO = 1.4 GHz、P_LO = 9 dBm时在刚性基板上混频器的输出频谱；

(c) 刚性基板上混合器在f_RF = 1.5 GHz、P_RF = 2 dBm、f_LO = 1.4 GHz时转换增益与LO功率的关系图；

(d) 对于栅极长度为300 nm器件在聚酰亚胺上小信号电流增益| h₂₁ |和单边功率增益U与频率的关系图；

(e) 当f_RF = 1.5 GHz、P_RF = 9 dBm、f_LO = 1.4 GHz、P_LO = 9 dBm时在柔性基板上混合器的输出频谱；

(f) 当f_RF = 1.5 GHz、P_RF = 9 dBm、f_LO = 1.4 GHz时在柔性基板上混合器转换增益与LO功率的关系图。

【小结】

本文报道了一种通过调控CVD生长期间MoO₃前体重量来制备具有高迁移率、大面积双层MoS₂的方法，通过优化的生长条件可以实现尺寸高达200 μm。基于双层MoS₂制造的晶体管显示出高场效应迁移率以及高导通电流。此外，基于这些双层MoS₂的高性能射频晶体管被证明具有基于顶门控射频晶体管创记录的高外部f_T和f_max。该工作展示了CVD双层MoS₂在高频应用和灵活无线通信方面的巨大潜力。

文献链接：Scalable high performance radio frequency electronics based on large domain bilayer MoS₂ (Nat. Commun. 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-07135-8)

本文由材料人生物学术组biotech供稿，材料牛审核整理。

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