制备二硫化钼晶体管的新方法

材料牛注：由于各种方法的缺陷，二硫化钼晶体管的理论性能一直难以实现。美国科学家通过一种简单方法，先用纳米线作为掩模沉积石墨烯和镍电极，然后利用胶带手动移除纳米线，首次显著地提高了二硫化钼基晶体管的性能。

一项新设计使得研究人员能够造出基于二维二硫化钼的迄今为止性能最佳的晶体管。尽管仍有很多亟需解决的技术难题，但实验结果表明，该材料具有将来能和硅相媲美的优良性能。

类似于MoS₂、石墨烯、磷烯等原子级别厚度的二维材料拥有非常独特的电子性能。这使得它们有取代硅的巨大潜力，或者至少作为刚性硅的潜在柔性替代品。但是在这个之前，研究人员需要证实基于超薄MoS₂的器件的性能可以接近甚至超过硅基器件。

MoS₂有非常高的电迁移率而且是半导体。这意味着可以用它来制备在导电态和绝缘态相互转化的晶体管，以此充当数字逻辑计算中的1和0。

但是迄今为止，MoS₂的潜力还没能实现。瑞士联邦理工学院洛桑分校的电子工程师Andras Kis说，“我们非常清楚这种理论是可行的，但是不清楚应该怎样去实现。”他并没有参与当前的这项研究。

加州大学洛杉矶分校的化工工程师段镶锋表示，MoS₂的一个主要缺陷就是接触电阻问题。为了制造一个晶体管，研究人员不仅需要一种半导体材料，同时还需要加上电极以施加电压来改变材料的导电态。他们在如何在MoS₂上添加电触点上遇到了很大的困难。纯金属在这一材料表面有很高的接触电阻。过去的研究表明金属与石墨烯等其他材料进行复合接触时，所需的严苛制备方法，如等离子体刻蚀，将会损害MoS₂薄层。这种损害阻碍了电流流通，同时使得晶体管有很高的接触电阻，也降低了晶体管的开关速度，最终导致电路运行缓慢。

为了解决这个问题，研究人员在MoS₂薄片的表面放置了一根大概80nm直径的硅纳米线作为掩模，在薄片和纳米线之上加镀一层石墨烯。接着在表面再沉积一层镍来作为电极，而纳米线的位置会有突起。最后通过胶带机械地去除被包覆的纳米线。最终形成一个可作为晶体管活性区的二硫化钼沟道，同时两侧连接着混合石墨烯－镍电极。这种机械方法不会像蚀刻般破坏沟道。

石墨烯以两种方式来对二硫化钼起到缓冲作用：首先它可以防止镍沉积过程中引起任何化学或机械损伤，同时它还促进了电流在其它材料之间的流动。这些晶体管有0.21 kΩ-µm 的创纪录的低接触电阻。

Kis说，低接触电阻是这一材料的一个重要里程碑，它比之前展示的器件好了7到10倍之多。但目前还是难以与硅相媲美，因为硅芯片技术已经成熟，且硅晶体管可达十分之一于二氧化钼晶体管的大小。段镶锋说，虽然在他实验室的演示中超薄二硫化钼性能并不及硅，但他认为该工作表明该材料能够成为制备计算机处理器，或者柔性或可穿戴设备的有力竞争者。

由于现今晶体管是用胶带手工制作，最终实现应用可能需要很长的一段时间，不过，这项工作最重要的就是说明这种电子性能是完全可能的，Kis说道。

段镶锋小组的下一步就是证明低接触电阻可以转化为电子工程师和电路设计者最终关心的高开关转换速度。

原文链接：Molybdenum disulfide transistors break through a performance limit

文献链接：Pushing the Performance Limit of Sub-100 nm Molybdenum Disulfide Transistors

本文由编辑部杨洪期提供素材，史文武编译，时冰遥审核；点我加入材料人编辑部