基于超薄层状二硫化锡的宏量制备及其高性能场效应晶体管和CMOS逻辑器件的研制

Ultra-thin layered metal chalcogenides occupy large potential applications in next generation high integration and high performance nanoelectronics due to their special geometry and superior electrical properties such as ultra-thin thickness, high mobility, natural bandgap, tuned bandgap and so on. The high performance field-effect transistors (FETs) and their integrated CMOS logic gates are the most typical applications for two-dimensional semiconductors. The present proposed program utilize the meeting characters between the hydrazine dissolving capability to chalcogenide and the target layered chalcogenides to develop a new hydrazine solution method. The new method combines the synergy advantages from solution method and CVD method to synthesize large-scale and high quality SnS2 based layered materials. In addition to the reported low performance back-gated SnS2 FETs,we will fabricate and study new high k top-gated FETs and suspending FETs. According to the room and low temperature measurements combining with first-principle calculations,the carrier scattering and transport mechanism will be probed in order to improve the device performances. Futher the CMOS logic gates based on n-SnS2/p-GaSe and n-SnS/p-SnS will be integrated. The typical NOT,NAND,NOR gates will be implemented. The present proposed program will support experimental basis and prototype devices for new nanoelectronic devices. Therefore, this work takes important roles for both application and academic value.

超薄层状金属硫属化物晶体材料因超薄、迁移率高、具有天然的能带带隙且带隙可调等特性在下一代高集成度、高效纳电子器件中具有广阔的应用前景。高性能场效应晶体管及其集成的CMOS逻辑门器件是二维半导体电子器件最典型的应用基础。本项目拟利用无水联氨对于金属硫属化物的溶解特性与目前层状半导体多为硫属化物这一契合共性开发结合溶液法和CVD法协同优势的联氨溶液法，大尺度高质量合成SnS2基超薄层状材料。在目前背栅型场效应晶体管基础上，研究新型高介电材料顶栅型和悬浮型SnS2场效应晶体管器件，依据室温、低温变温晶体管性能表现结合第一性原理计算，揭示其载流子输运和散射机制，提升器件性能。集成单立的n型SnS2晶体管和p型GaSe、SnS晶体管组成互补型的CMOS逻辑门器件，实现典型的非门、或非门和与非门功能。本项目的实施，将为新电子材料的应用提供实验基础和器件原型，具有重要的学术和应用价值。

以本项目的研究内容为指导，研究典型单层或少层金属硫属化物二维材料的大尺度制备技术，高性能场效应晶体管器件的传输机理以及逻辑器件的研制。本项目从典型二维材料SnS2的大尺度可控合成出发，开发了一系列SnS2和WSe2等超薄材料大尺度合成工艺。在此基础上，研制出其对应晶体管和互补型逻辑门器件。项目执行3年来，所取得的主要研究成果如下：（1）发展了联氨法、氧化物硫化法和热蒸发法3种大尺度合成单层或少层n型SnS2新方法；（2）在p型二维材料方面，开发了利用SnS2作为SnS牺牲型模板法制备，同时采用CVD合成工艺大尺度制备了晶体管传输特性更优的p型WSe2二维材料；（3）基于晶体管缺陷抑制、器件结构和介电层优化，实现了单层SnS2和WSe2高性能场效应晶体管（首次在国际上实现了迁移率分别达到50 cm2/Vs单层SnS2晶体管）；（4）基于开发的高性能n型和p型晶体管，集成单立的n型SnS2晶体管和p型WSe2晶体管实现了互补型的逻辑门器件的功能。.本项目的实施对大尺度合成和优化二维半导体材料和器件，揭示晶体管传输的限制机理，提升逻辑器件性能具有重要的指导和参考意义。在本项目的支持下，发表期刊论文12篇，影响因子大于10的2篇，申请发明专利2项。所指导的学生中2人获得国家奖学金。项目负责人作为会议执行副主席组织一次国际学术会议，项目组成员参加境内外学术会议7人次，做特邀报告4次。.