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大面積柔性透明的二硫化鉬場(chǎng)效應(yīng)晶體管及各種邏輯器件

倩倩 ? 來(lái)源:DeepTech深科技 ? 作者:DeepTech深科技 ? 2020-10-23 14:35 ? 次閱讀

“未來(lái)的手機(jī)可以是柔性的,高清柔性顯示屏可讓手機(jī)像報(bào)紙一樣卷起來(lái)?!?松山湖材料實(shí)驗(yàn)室副主任、研究員張廣宇談及該團(tuán)隊(duì)的最新研究時(shí),展望了未來(lái)手機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。9月21日,該團(tuán)隊(duì)的論文《基于單層二硫化鉬場(chǎng)效應(yīng)晶體管的大面積柔性透明電子器件》(Large-scale flexible and transparent electronics based on monolayer molybdenum disulfide field-effect transistors)發(fā)表在電子學(xué)期刊 Natureelectronics 上。松山湖材料實(shí)驗(yàn)室的學(xué)術(shù)背景雄厚,是由中國(guó)科學(xué)院物理研究所牽頭,東莞市政府、中科院物理所和高能物理研究所共建。

實(shí)驗(yàn)利用外延生長(zhǎng)得到的四英寸高質(zhì)量、高定向單層二硫化鉬薄膜,結(jié)合傳統(tǒng)的微加工工藝,通過(guò)優(yōu)化絕緣層與接觸電阻,制備出了大面積柔性透明的二硫化鉬場(chǎng)效應(yīng)晶體管及各種邏輯器件。

這些器件表現(xiàn)出了優(yōu)異的特性:晶體管器件密度可達(dá) 1518 個(gè) / 平方厘米,成品率高達(dá) 97%,是目前已報(bào)道結(jié)果中最高指標(biāo);單個(gè)器件也表現(xiàn)出較好的電學(xué)性能和柔韌性。

該工作由中科院物理所與松山湖材料實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合完成,并得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院 B 類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)、中科院青促會(huì)等項(xiàng)目的資助。

圖 | 項(xiàng)目研制出大面積柔性二硫化鉬晶體管以及邏輯器件

二硫化鉬可彌補(bǔ)硅的不足

本次研究主要用到的材料是二維半導(dǎo)體材料 —— 單層二硫化鉬(MoS2)。目前,在半導(dǎo)體器件發(fā)展微型化和柔性化的驅(qū)動(dòng)下,以二硫化鉬等為代表的二維半導(dǎo)體材料表現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),其不僅具有優(yōu)異的光、電、機(jī)械性能,且具有超薄透明的物理特性,最薄可以做到只有一個(gè)原子層厚度,非常適用于制備更輕、更薄、更快、更靈敏的電子學(xué)器件。

2015 年,國(guó)際半導(dǎo)體聯(lián)盟在技術(shù)路線圖(ITRS)中指出,二維半導(dǎo)體是下一代半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵材料。

然而,當(dāng)前以器件應(yīng)用為背景的單層二硫化鉬研究,仍面臨兩大問(wèn)題:

1、在材料制備上,難以獲得高質(zhì)量大尺度二硫化鉬晶圓;

2、在器件工藝上,難以實(shí)現(xiàn)高密度、高性能、大面積均一的器件加工。這也是新型半導(dǎo)體材料從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)要克服的共性問(wèn)題。

如果上述問(wèn)題得到解決,二硫化鉬在柔性電子產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用也將更快。

目前,單層二硫化鉬晶圓面臨著晶粒尺寸較小、取向隨機(jī)等問(wèn)題,大量晶界(Grain Boundary,結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒之間的界面)的存在導(dǎo)致材料的電學(xué)質(zhì)量較差。并且,晶界的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致器件均勻性很差,所以無(wú)法集成高端電子器件。

為解決上述難題,張廣宇團(tuán)隊(duì)利用自主設(shè)計(jì)搭建的多源化學(xué)氣相沉積系統(tǒng),采用立式生長(zhǎng)和多點(diǎn)形核的方法,在藍(lán)寶石襯底上外延制備出了四英寸高質(zhì)量連續(xù)單層二硫化鉬晶圓。

由于是外延生長(zhǎng),首先需要一個(gè)單晶襯底。在常規(guī)半導(dǎo)體領(lǐng)域,使用單晶藍(lán)寶石襯底外延砷化鎵和氮化鎵時(shí),外延材料要根據(jù)襯底晶格來(lái)增加適配的緩沖層,由此來(lái)減小材料與襯底之間的晶格失配度。

但是,二硫化鉬等二維材料表面沒(méi)有懸鍵,和襯底表面的相互作用比較弱,對(duì)晶格匹配度要求不高,屬于范德瓦爾斯外延,因此能在四英寸藍(lán)寶石襯底上直接實(shí)現(xiàn)單層二硫化鉬的外延生長(zhǎng)。

所外延的高質(zhì)量薄膜由高定向(0° 和 60°)大晶粒拼接而成,薄膜中只存在孿晶界,利用高分辨透射電子顯微鏡觀測(cè)到了近乎完美的 4|4E 型晶界,且平均晶粒尺寸大于 100 μm,大幅提升了晶圓的晶體質(zhì)量,該工作發(fā)表在近期的 Nano Letters 上。

得益于獨(dú)特的多源設(shè)計(jì),所制備的晶圓具有顯著的均勻性。談及該多源設(shè)計(jì),張廣宇舉了一個(gè)形象的例子:就像拿一個(gè)噴壺往墻上噴水,第一代設(shè)備只有一個(gè)噴頭,這時(shí)噴的區(qū)域比較?。?/p>

第二代設(shè)備是用三個(gè)噴頭一起噴,這樣噴出的面積就能擴(kuò)大三倍;第三代設(shè)備是用六個(gè)源一起噴,這種情況下噴出的區(qū)域更大,更均勻。

盡管二硫化鉬有這么多優(yōu)勢(shì),但是二硫化鉬目前還無(wú)法替代硅。張廣宇告訴 DeepTech,在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中,硅材料已經(jīng)探索研究了將近七八十年,相關(guān)器件發(fā)展了五六十年。

硅在材料制備和器件加工等方面都已非常成熟,因此也順理成章成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的主流。其他半導(dǎo)體材料某些電子學(xué)性能優(yōu)于硅,但是依然面臨著材料、加工工藝等問(wèn)題,因此無(wú)法替代硅。同理,二硫化鉬也不是要取代硅,而是要彌補(bǔ)硅的不足,發(fā)揮材料自身的優(yōu)勢(shì)。

張廣宇表示,硅材料的發(fā)展有一定的瓶頸,摩爾定理已撞到天花板,下一步要實(shí)現(xiàn) 3 納米以下的器件。但是如果將硅電子器件尺寸縮到十納米以下,其性能就會(huì)呈現(xiàn)大幅下降。而二硫化鉬等二維半導(dǎo)體材料非常薄,能解決原理性障礙,因此展示出巨大優(yōu)勢(shì)。

自主設(shè)計(jì)多源化學(xué)氣相沉積設(shè)備

本次研究用到的主要設(shè)備,是該團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)的四英寸多源化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)。張廣宇說(shuō),除爐子和配件是采用商業(yè)化產(chǎn)品外,其余都是自行設(shè)計(jì)搭建的。

團(tuán)隊(duì)在設(shè)備方面也進(jìn)行了專(zhuān)利布局,現(xiàn)已授權(quán)東莞市卓聚科技有限公司共同合作推進(jìn)國(guó)產(chǎn)高性能化學(xué)氣相沉積設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化。

該設(shè)備主要用于 TMDs 材料的外延生長(zhǎng),目前已經(jīng)造到第三代,不同代際之間的區(qū)別,在于可以兼容大樣品的生長(zhǎng)。以微波爐為例,原來(lái)能放一個(gè)碗,變大后可以放十個(gè)碗,即把上述設(shè)備的系統(tǒng)擴(kuò)大了。

除上述獨(dú)特的生長(zhǎng)技術(shù)之外。本次成果還得益于三大器件加工工藝:采用兼容的微加工工藝逐層制作器件;采用獨(dú)特的物理吸附與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的原子層沉積方法;采用金 / 鈦 / 金多層結(jié)構(gòu)作為接觸電極。

圖 | 二硫化鉬柔性場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能表征

談及這三大工藝,張廣宇表示,在器件加工過(guò)程中,該團(tuán)隊(duì)采用傳統(tǒng)的微加工工藝,逐層制作器件,實(shí)現(xiàn)了器件層與層之間的潔凈和兼容,保證了器件陣列的大面積均一性。這種利用半導(dǎo)體工藝中的標(biāo)準(zhǔn)微加工辦法,有利于快速走向市場(chǎng)。

另一方面是采用物理吸附與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的原子層沉積方法,提高器件絕緣層質(zhì)量。由于二維材料表面缺少懸鍵,利用傳統(tǒng)的原子層沉積方法(化學(xué)吸附)無(wú)法將高介電絕緣材料(氧化鋁或氧化鉿等)沉積在二維材料或者金表面。

改進(jìn)的原子層沉積方法首先是利用過(guò)量的源脈沖,使其物理吸附在材料表面,之后利用多個(gè)脈沖的水將源逐層氧化為氧化鋁或氧化鉿,實(shí)現(xiàn)絕緣層在金底電極以及二維材料上的高致密度直接沉積,因此保障了器件絕緣柵的高質(zhì)量。

在接觸電極的優(yōu)化上,該團(tuán)隊(duì)采用三層金 / 鈦 / 金結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)中間加一層鈦,這樣既降低了接觸電阻,也解決了機(jī)械性能問(wèn)題,電極因此變得非常穩(wěn)定。據(jù)張廣宇介紹,無(wú)論在柔性器件上面怎么 “折騰”,電極都不會(huì)脫落。

圖 | 基于二硫化鉬的柔性邏輯器件

圖 | 柔性器件在應(yīng)力下的電學(xué)性能

達(dá)到國(guó)際最高電子學(xué)質(zhì)量

提及本次研究達(dá)到 “國(guó)際最高電子學(xué)質(zhì)量二硫化鉬”,張廣宇告訴 DeepTech,在材料結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵指標(biāo)上,如晶粒大小、取向、晶界密度,目前國(guó)際上尚無(wú)其他方法可以出其右。

該團(tuán)隊(duì)制備出的大面積柔性二硫化鉬電子器件具有高密度、高產(chǎn)率以及高性能。值得注意的是器件暗電流非常小(百飛安以下),因此可用于制備低功耗器件。

舉例來(lái)說(shuō),即使電腦處于待機(jī)狀態(tài),其 CPU 看起來(lái)不運(yùn)作但它也在耗電,本身也有暗電流。因此,當(dāng)器件的暗電流非常小時(shí),就可以降低靜態(tài)功耗。

該團(tuán)隊(duì)在二硫化鉬的器件研究目前主要集中在三個(gè)方向:低功耗器件、高性能器件和柔性器件。據(jù)悉,當(dāng)前部分半導(dǎo)體器件的性能已達(dá)到極限,這是材料本身特點(diǎn)決定的。

現(xiàn)階段,該團(tuán)隊(duì)最關(guān)注的是柔性器件,這類(lèi)器件不需達(dá)到性能極致或超低功耗,只需一定的柔韌性,在彎、揉、拉、壓等情況下,其性能不會(huì)有太大變化。

張廣宇表示,本次研究可推動(dòng)二維半導(dǎo)體材料在柔性顯示屏以及智能可穿戴設(shè)備方面的應(yīng)用。短期內(nèi),該團(tuán)隊(duì)集中攻關(guān)的產(chǎn)品是柔性顯示屏。

張廣宇認(rèn)為,在未來(lái) 10-20 年,柔性可穿戴設(shè)備具有很大的市場(chǎng)前景。以隱形眼鏡為例,未來(lái)的隱形眼鏡或?qū)⑹羌梢粋€(gè)屏幕和控制面板的柔性器件,同時(shí),這種隱形眼鏡也更加智能化,可以用來(lái)瀏覽信息

目前,國(guó)際上有不少團(tuán)隊(duì)一直在進(jìn)行二硫化鉬晶圓和器件方面的研究,但是其晶圓質(zhì)量與該團(tuán)隊(duì)的水平相比尚有差距。據(jù)張廣宇介紹,本次論文發(fā)表后,很多國(guó)內(nèi)外同行都認(rèn)為我們團(tuán)隊(duì)的材料是 “世界上最好的二硫化鉬”,紛紛來(lái)尋求樣品合作。

之所以目前還局限于實(shí)驗(yàn)室階段,是因?yàn)樵摦a(chǎn)品還處于一個(gè)試驗(yàn)時(shí)期,距離真正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)界,還需要相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程。目前,韓國(guó)三星、中國(guó)臺(tái)灣某芯片廠商,也都在推進(jìn)相關(guān)方向的研究,未來(lái)在科研界和產(chǎn)業(yè)界的集體攻關(guān)下,應(yīng)該會(huì)取得突破性的進(jìn)展。

張廣宇團(tuán)隊(duì)的中長(zhǎng)期規(guī)劃,是做柔性顯示,遠(yuǎn)期計(jì)劃是做高端邏輯器件。不久的將來(lái),或許中國(guó)用戶(hù)將最先用上包含該團(tuán)隊(duì)技術(shù)的產(chǎn)品。

責(zé)任編輯:lq

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