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柔性耐高温二硫化钼场效应晶体管与逻辑门的研究

主要作者及单位
本研究的通讯作者为华中科技大学机械科学与工程学院的Peng Li（邮箱：lipeng2023@hust.edu.cn）和清华大学精密仪器系的Zheng You（邮箱：yz-dpi@mail.tsinghua.edu.cn），第一作者为清华大学精密仪器系的Yixuan Zou。合作单位包括北京信息科技大学（Caizhen Su）。论文发表于ACS Nano 2024年第18卷，发表日期为2024年3月15日，DOI编号10.1021/acsnano.3c13220。

学术背景

研究领域与动机
本研究属于二维材料（2D materials）与柔性电子器件交叉领域，针对航空航天、深井钻探等极端环境对耐高温、可变形集成电路的需求。传统碳化硅（SiC）晶体管虽可耐高温，但存在刚性结构、高功耗和纳米级集成困难等问题。二硫化钼（MoS₂）作为二维半导体材料，具有原子级厚度、超高载流子迁移率和超低功耗特性，但其高温稳定性差（>200°C时硫空位形成，>300°C时氧化分解），此前报道的MoS₂器件最高仅能在350°C下工作70秒。

研究目标
开发一种采用六方氮化硼（h-BN）封装和石墨烯电极的MoS₂场效应晶体管（FET），实现：
1. 在空气中稳定工作于≥500°C的高温环境；
2. 阐明高温下MoS₂的电学特性与工作机制；
3. 构建柔性高温CMOS（互补金属氧化物半导体）逻辑门，验证高温逻辑计算能力。

研究方法与流程

1. 器件设计与制备

关键工艺步骤：
- 异质结构搭建：通过机械堆垛法依次在Si/SiO₂衬底上转移底层h-BN（18 nm）、多层MoS₂（9.3 nm）、石墨烯电极（9.8 nm）和顶层h-BN（35 nm），形成h-BN/MoS₂/石墨烯/h-BN垂直结构。
- 电极加工：采用光刻、金属沉积（5 nm Ti/30 nm Pt）和剥离工艺制作顶栅极，栅极宽度40 μm。
- 退火处理：在氩气氛围中200°C退火2小时，以去除残留物并优化MoS₂-石墨烯接触。

创新性方法：
- h-BN双封装：利用h-BN晶体缺陷密度极低和界面原子级平整的特性，阻挡氧气扩散至MoS₂通道。
- 石墨烯电极：替代传统金属电极（如Ti或Au），通过几乎欧姆接触降低肖特基势垒（仅16.8 meV）。

2. 材料表征

• 原子力显微镜（AFM）：确认MoS₂和石墨烯的厚度分别为9.3 nm和9.8 nm。
  
• 拉曼光谱：检测MoS₂的特征峰（E2g1: 383 cm⁻¹，A1g: 405 cm⁻¹）和石墨烯的G峰（1580 cm⁻¹）、2D峰（2721 cm⁻¹），证明材料高质量。
  
• 高分辨透射电镜（HRTEM）：显示异质结构界面无缺陷或气隙，单层MoS₂厚度0.65 nm。
  

3. 高温性能测试

• 对照组设计：
  
  • 裸露MoS₂器件：在250°C时因硫空位导致p型掺杂，500°C时完全分解（光学显微镜验证）。
    
  • ALD HfO₂封装器件：500°C下仍出现硫空位，因ALD薄膜存在针孔缺陷。
    
• h-BN封装器件：
  
  • 稳定性验证：500°C加热10分钟后，转移曲线无明显偏移或衰减，MoS₂未分解（光学显微镜和拉曼光谱验证）。
    
  • 原位拉曼：25–500°C范围内未观察到MoS₂结构相变。
    

4. 电学特性分析

• 金属-绝缘体转变（MIT）：在栅极电压Vgs=0.4 V时出现转变现象，表明高温下载流子运输仍受声子散射主导（拟合μ ∼ T⁻¹.⁵¹）。
  
• 关键参数温度依赖性：
  
  • 开关比（Ion/Ioff）：从-150°C的10⁷降至300°C的10³，源于热发射载流子注入导致的关态电流增加。
    
  • 亚阈值摆幅（SS）：从-150°C的49.6 mV/dec增至300°C的304 mV/dec，源于耗尽区宽度扩展和温度共同作用。
    
• 电极对比：石墨烯电极器件的开关比比金属电极高1个数量级，阈值电压漂移（δVth）小5–9倍。
  

5. 柔性逻辑门实现

• 器件结构：将MoS₂ FET（n型）与h-BN封装的WSe₂ FET（p型）集成在云母衬底上，构成CMOS非门（NOT gate）。
  
• 性能验证：在550°C下实现逻辑计算（Vin为负时Vout≈Vdd逻辑“1”，Vin为正时Vout≈0逻辑“0”）。
  

主要研究结果

1. 高温稳定性突破：h-BN双封装使MoS₂ FET在空气中耐受≥500°C高温，远超此前报道的350°C极限（表1对比）。
   
2. 石墨烯电极优势：与Ti/Au电极相比，石墨烯电极器件表现出更稳定的电学性能（如300°C时SS小3–7倍）。
   
3. 机制揭示：高温下MoS₂的载流子迁移率仍符合μ ∼ T⁻¹.⁵¹规律，证实声子散射主导传输。
   
4. 应用验证：首次演示柔性CMOS逻辑门在550°C下的工作能力。
   

研究价值与意义

科学价值：
- 填补了二维材料在超高温环境下本征电学特性研究的空白；
- 提出h-BN封装与石墨烯电极的协同稳定机制，为其他二维材料的高温应用提供范式。

应用价值：
- 推动航空航天、深井机器人等极端环境用柔性集成电路的发展；
- 原子级厚度与低功耗特性有助于下一代纳米级IC的集成。

研究亮点

1. 封装技术突破：h-BN/h-BN结构首次将MoS₂器件的高温稳定性提升至500°C以上。
   
2. 电极设计创新：石墨烯电极通过近乎欧姆接触显著降低界面势垒。
   
3. 全柔性集成：在云母衬底上实现可弯曲（曲率半径 mm）的高温逻辑门。
   

其他发现

1. 缺陷控制：h-BN封装有效抑制MoS₂硫空位形成，而ALD HfO₂因针孔缺陷无法完全阻隔氧气（图2f对比）。
   
2. 温度依赖规律：首次揭示高温下MoS₂载流子迁移率仍服从声子散射主导的幂律关系。
   

（全文完）