電子工程師不斷嘗試開發(fā)更薄、更高效和性能更好的晶體管，這是大多數(shù)現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心半導(dǎo)體器件。為此，他們一直在評估各種材料的潛力。過渡金屬二硫化物 (TMD) 是一種基于過渡金屬和硫?qū)僭氐幕衔?，具有非常有吸引力的電子和機械性能，使其成為開發(fā)未來幾代晶體管的有前途的候選者。最值得注意的是，它們具有原子級薄結(jié)構(gòu)，沒有懸空鍵和類似于硅的帶隙。

金屬半導(dǎo)體結(jié)是現(xiàn)代電子器件中不可或缺的重要組成部分。近年來出現(xiàn)的二維半導(dǎo)體 (例如過渡金屬二硫化合物)，由于其合適的能隙，光滑的表面結(jié)構(gòu)，有望突破傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體的限制，實現(xiàn)納米尺度上的新型電子器件。目前實驗上已經(jīng)開始研究多種金屬和二維半導(dǎo)體材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，成功實現(xiàn)了原子尺度上的晶體管效應(yīng)。但是由于缺乏對金屬電極和二維半導(dǎo)體材料相互作用的理論認識，導(dǎo)致實驗研究中載流子注入效率和載流子遷移率都較低，阻礙了這個領(lǐng)域的發(fā)展。本項目擬采用密度泛函理論的方法，以金屬與過渡金屬二硫?qū)倩飶?fù)合結(jié)構(gòu)為對象，研究二硫化物相結(jié)構(gòu)、金屬電極的功函數(shù)、復(fù)合結(jié)構(gòu)軌道的匹配性、以及門壓等外界因素對金屬半導(dǎo)體結(jié)接觸能壘和電阻的影響，揭示它們相互作用的機制，總結(jié)一般規(guī)律，力求得到一個較清晰的物理圖像。在此基礎(chǔ)上，分析降低接觸勢壘，提高載流子注入效率和遷移率的可靠途徑，為進一步的實驗研究提供理論依據(jù)。

盡管具有優(yōu)勢特性，但過渡金屬二硫化物(TMD) 尚未用于大規(guī)模制造晶體管。造成這種情況的主要原因是這些材料和基板之間的界面處的粘附能較弱，這使得它們的廣泛制造具有挑戰(zhàn)性。

三星電子和芝加哥大學(xué)的研究人員最近確定了一種策略，可以在晶圓級上可靠地集成基于 TMD 的場效應(yīng)晶體管(FET)。他們在Nature Electronics上發(fā)表的一篇論文中介紹了他們提出的方法，該方法基于粘附光刻技術(shù)的使用，這是一種在不同材料樣品之間形成納米級間隙的創(chuàng)新技術(shù)。

“基于二維材料的場效應(yīng)晶體管是下一代半導(dǎo)體芯片中硅基器件的潛在替代品，”Van Luan Nguyen 和他的同事在他們的論文中寫道。“然而，二維材料和基板之間的界面粘附能量較弱，可能導(dǎo)致晶圓級晶體管的良率低和不均勻。此外，傳統(tǒng)的光刻工藝——包括光化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)蝕刻——會損壞原子級薄的材料?！?

作為他們研究的一部分，Nguyen 和他的同事證明了二維材料和不同基材之間的界面粘附能 (IAE) 可以使用四點彎曲法進行量化。然后，他們使用化學(xué)氣相沉積 法生長二維材料二硫化鉬(MoS 2 ) 和石墨烯。

隨后，他們研究了固有材料缺陷對大表面積材料 IAE 值的影響。為了在材料和基板之間形成界面，他們最終將材料轉(zhuǎn)移到金屬或絕緣層上。

Nguyen 和他的同事在他們的論文中解釋道：“我們表明，二維材料與不同基材之間的界面粘附能可以使用四點彎曲法進行量化?！? “我們發(fā)現(xiàn)二硫化鉬/二氧化硅界面的界面粘附能為 0.2 J m ?2，可以通過結(jié)合具有不同末端終止化學(xué)的自組裝單分子層將其從 0 調(diào)節(jié)到 1.0 J m ?2 。我們使用這創(chuàng)造了一種基于粘附能量差異和物理蝕刻工藝的粘附光刻方法?！?

Nguyen 和他的同事證明了他們的制造策略的可行性，他們使用它來生產(chǎn)超過 10,000 個基于 6 英寸晶圓的二硫化鉬 FET，獲得了令人印象深刻的幾乎 100% 的產(chǎn)量。未來，他們提出的方法可以進一步完善和改進，通過減少錯誤和提高這些材料與基板之間的附著力，有可能實現(xiàn)基于過渡金屬二硫化物(TMD)的 FET 的大規(guī)模制造。