基于单层黑磷和砷化锗的新型晶体管

二维(2D)半导体材料已被证明对于开发各种电子设备(包括可穿戴设备和小型电子产品)非常有前景。与笨重的同类材料相比，这些材料具有显着的优势，例如，无论厚度如何减小，都可以保持载流子迁移率。

尽管二维半导体有望制造薄型电子产品，但迄今为止很少用于制造单层晶体管，这是用于调制和放大大多数现有设备内电流的关键电子元件的更薄版本。大多数基于二维半导体的单层晶体管都是使用一些精心挑选的已知具有相对稳定晶格结构的材料创建的，例如石墨烯、二硒化钨或二硫化钼(MoS2)。

湖南大学、中国科学院和武汉大学的研究人员最近着手使用替代二维半导体材料开发新型单层晶体管，这些材料迄今为止主要用于制造多层晶体管，包括黑磷(BP)和砷化锗。砷化镓)。他们的工作发表在《自然电子》杂志上。

“对于许多有前途的2D材料(例如黑磷和砷化锗)来说，单层晶体管的制造具有挑战性，并且由于与精致的2D材料形成牢固的电接触的困难而受到限制，”WangyingLi、QuanyangTao及其同事在他们的论文中写道。“我们报告了使用范德华剥离技术制造具有三维凸起触点的单层黑磷和砷化锗晶体管。”

该研究团队最近工作的主要目标是创建基于单层二维半导体的新型晶体管，超越迄今为止主要用于单层晶体管设计的晶体管。这带来了一些挑战，因为其中一些材料很难均匀缩小而不损害其固有特性。

为了实现这一目标，Li、Tao及其合作者设计了一种范德华(vdW)剥离技术，可用于创建具有3D凸起触点的单层2D晶体管。这项技术需要将扁平金属层压到多层二维通道上，这反过来又允许研究人员通过剥离金属来去除堆叠顶部的半导体层。

Li、Tao和他们的同事写道：“通过逐层机械剥离，多层黑磷晶体管的沟道区可以逐渐减小到单层厚度，而不会降低其精致的晶格，同时保留多层接触区。”

作为研究的一部分，该团队使用他们提出的剥离技术来创建基于各种二维半导体的同质结和同质超晶格，包括BP、GeAs、InSe(硒化铟)和GaSe(硒化镓)。

研究小组发现，他们提出的方法使他们能够减薄晶体管的沟道部分，同时保持接触区域所需的厚度。

“利用这项技术，我们测量了具有不同沟道厚度的相同2D晶体管的电特性，”Li、Tao和他们的同事写道。“我们发现，当减小体厚度时，黑磷的载流子迁移率急剧下降，其行为更像传统的体半导体，而不是纯范德华半导体。”

作为他们最近研究的一部分，研究人员展示了他们的技术在开发基于BP和GeAs的具有3D凸起接触的有前途的单层晶体管方面的潜力。未来，他们的逐层剥离方法可能会为使用不常见的二维半导体创建更薄且可扩展的晶体管开辟新的视野，而这些半导体通常被认为在这些应用中表现不佳。

“这项工作对二维半导体之外的其他不稳定单层材料(例如有机单层和钙钛矿单层)具有潜在的影响，这些材料以前被认为是不导电的或具有较差的固有特性，但实际上受到材料之间接触不良的限制。金属和单层膜，”李、陶和他们的同事补充道。

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