山东大学韩琳教授课题组在新型电子材料器件研究中取得新进展

钢铁侠 5年前 (2020-05-21) 4106浏览

近日，山东大学韩琳教授课题组在新型电子材料器件领域取得新进展，研究人员采用低晶格失配（1.1%）的Se与InSe的垂直范德华异质结来改善金属半导体接触界面条件，可以有效的避免直接金属化带来的化学无序及费米钉扎效应。相关结果以“Low Lattice Mismatch InSe–Se Vertical Van der Waals Heterostructure for High-performance Transistors via Strong Fermi-Level Depinning”为题，发表于微尺度领域权威期刊《Small Methods》上（即时影响因子预测12.5-15），并被邀请为封面文章（Cover），山东大学为独立通讯单位，韩琳教授和刘宏教授为通讯作者，山东大学硕士研究生姜建峰、中科院物理所研究生孟繁琪、济南大学研究生程琦琳和讲师王爱珠为共同第一作者。

目前国际上针对高性能的二维电子器件来说，最核心的难点就是金属与二维半导体材料之间的接触问题，特别是在低的工作电压范围和短沟道的器件中，它极大的阻碍了本征半导体材料高性能的发挥，这是电子器件的性能远低于其理论值主要因素之一。由于二维半导体材料表面界面的复杂性，直接在材料的表面蒸镀金属电极的传统方式很难将接触做到最好，如何优化金属与二维半导体的接触界面是一项重要的技术挑战。直接蒸镀金属的过程引起了2D半导体材料表面的掺杂和损害，导致了接触界面的化学无序和费米钉扎。另外化学吸附在二维半导体表面的污染物（特别是水和碳氢化合物）产生的界面态，钳住了二维界面的费米能级，使得载流子在金属和半导体之间的输运中有一个较高势垒的存在，增加了接触电阻降低驱动电流。因此需要一种更加简便有效的策略去改善接触条件以提高二维电子器件的性能。针对上述难点，课题组发展了一种低晶格失配（1.1%）的Se与InSe的垂直范德华异质结来改善二维接触条件，这是一种简单有效的策略可以让半导体表面避免了直接金属化的破坏和化学无序。我们利用球差校正STEM为异质结的构建提供了直接的证据，CVD方法生长的二维Se与二维InSe之间形成的是范德化结。Se层不仅可以防止在InSe表面直接蒸镀金属导致的破坏，还可以对InSe进行封装以提高器件的稳定性，超薄层Se的存在能够有效的避免界面的费米钉扎效应。新型范德华异质结器件具有高达2500cm²/V·s的超高场效应电子迁移率，mA量级的开态电流，低至-0.7V的阈值电压和1.4V的回滞。在两个月的自然环境保存后，器件的场效应迁移率只有3.46%的衰减。器件整体性能达到国际先进水平，此外在实际应用中，与InSe器件相比，InSe-Se异质结器件具有更快的光响应时间和更宽的波长响应范围。研究组提出的InSe-Se异质结策略是一种很有价值的方式，可以很容易的扩展到其他的低维半导体，为构建高性能的二维电子和光电子器件开辟了新的道路。

图1.InSe-Se异质结场效应晶体管的电学特性和电学稳定性。（a）异质结晶体管和InSe 晶体管中InSe厚度对场效应迁移率的影响，（b）异质结晶体管中Se的厚度对场效应迁移率的影响，（c）不同Se的厚度下异质结晶体管的转移特性，V_DS= 1V,(d)顶栅结构30 nm-InSe FET线性区（－0.5-0.5V）的输出特性曲线，(e) 5 nm-Se异质结晶体管线性区（－0.5-0.5V）的输出特性曲线，(f) 10 nm-Se异质结晶体管线性区（－0.5-0.5V）的输出特性曲线，(g) 顶栅结构30 nm-InSe FET饱和区输出特性曲线，(h) 5 nm-Se异质结晶体管饱和区输出特性曲线，(i) 10 nm-Se异质结晶体管饱和区输出特性曲线，(j) InSe 晶体管和具有不同Se厚度的异质结晶体管的g_D-V_DS特性，(k)饱和区晶体管的沟道电阻，(l) 异质结晶体管的的转移特性曲线，(m)异质结晶体管的30次回滞曲线测试，(n)场效应迁移率随着常温保存时间的退化。

近两年，韩琳教授及其研究团队在新型电子材料器件、生物医学及其前沿交叉应用领域取得一系列进展。包括：低功率氮等离子体快速修复本征缺陷的高性能二电子器件（Small, 2019, 1901791. 正封底文章，IF: 10.856），基于微流控技术的单细胞分析（Small, 2019, 1905001. 封面文章，IF: 10.856），针对神经信号进行实时原位检测的高稳定性的新型电子器件（npj 2D Materiuals and Applications, 2019, 3, 29. Nature旗下，2019 即时预测影响因子7.5-10），基于压电子学效应的高灵敏的二维压力传感器（Nano Energy, 2020, 70, 1044457. IF: 15.548）等高水平成果。相关工作被Materials Views China和材料人等学术媒体多次报道，被领域权威期刊Chem. Rev. Adv. Func. Mater. Research(AAAS)等多次引用报道，受到同行的广泛关注。

相关研究工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金项目、山东省杰出青年基金项目、山东省重大科技创新工程、山东大学齐鲁青年学者、山东大学青年交叉科学创新群体等项目的支持。

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