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柔性電子是新興技術(shù)，在信息、能源、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，柔性集成電路可用于便攜式、可穿戴、可植入式的電子產(chǎn)品中，對器件的低功耗提出了極高的技術(shù)需求。相對于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，單層二硫化鉬二維半導(dǎo)體具有原子級厚度、合適的帶隙且兼具剛性（面內(nèi)）和柔性（面外），是備受矚目的柔性集成電路溝道材料。然而，推動二維半導(dǎo)體柔性集成電路走向?qū)嶋H應(yīng)用并形成競爭力，降低器件功耗、同時保持器件性能是關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員張廣宇課題組器件研究方向近年來聚焦于二維半導(dǎo)體，在高質(zhì)量二維半導(dǎo)體晶圓制備、柔性薄膜晶體管器件和集成電路等方向取得了重要進展。近年來的代表性工作包括實現(xiàn)百微米以上大晶疇及高定向的單層二硫化鉬4英寸晶圓，進而利用逐層外延實現(xiàn)了層數(shù)控制的多層二硫化鉬4英寸晶圓；率先實現(xiàn)單層二硫化鉬柔性晶體管和邏輯門電路的大面積集成；展示單層二硫化鉬柔性環(huán)振電路的人工視網(wǎng)膜應(yīng)用，模擬人眼感光后電脈沖信號產(chǎn)生、傳導(dǎo)和處理的功能。
近期，該課題組博士研究生湯建、田金朋等發(fā)展了一種金屬埋柵結(jié)合超薄柵介質(zhì)層沉積工藝（圖1），將高介電常數(shù)HfO2柵介質(zhì)層厚度縮減至5 nm，對應(yīng)等效氧化物厚度（EOT）降低至1 nm。所制備的硬襯底上的場效應(yīng)晶體管器件操作電壓可以等比例縮放至3 V以內(nèi)，亞閾值擺幅達到75 mV/dec，接近室溫極限60 mV/dec。同時，研究通過優(yōu)化金屬沉積工藝，使得金屬電極與二硫化鉬之間無損傷接觸，避免費米能級釘扎，使接觸電阻降低至Rc<600 Ω·μm，有效地將溝道長度為50 nm的場效應(yīng)器件的電流密度提升至0.936 mA/μm @Vds=1.5 V。在此基礎(chǔ)上，科研人員將該工藝應(yīng)用于柔性器件的制作。四英寸晶圓尺度下柔性二硫化鉬場效應(yīng)晶體管陣列及集成電路表現(xiàn)出優(yōu)異的均勻性以及器件性能保持性（圖2）。該工作對隨機選取500個場效應(yīng)器件進行測試發(fā)現(xiàn)，器件兼具高良率（> 96%）、高性能（平均遷移率~70 cm2 · V-1 · s-1）以及均勻的閾值電壓分布（0.96 ± 0.4 V）。當操作電壓在降低到0.5 V以下時，反相器依然具備大噪音容限和高增益、器件單元功耗低至10.3 pW·μm-1；各種邏輯門電路也能夠保持正確的布爾運算和穩(wěn)定的輸出（圖3）；11階環(huán)振電路可以穩(wěn)定地輸出正弦信號，一直到操作電壓降低到0.3 V以下（圖4）。
該工作展示了單層二硫化鉬柔性集成電路可以兼具高性能和低功耗，為二維半導(dǎo)體基集成電路的發(fā)展走向?qū)嶋H應(yīng)用提供了技術(shù)鋪墊。相關(guān)結(jié)果近期以Low power flexible monolayer MoS2integrated circuits為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications2023; 14, 3633）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等的支持。該研究由物理所與松山湖材料實驗室聯(lián)合完成。
圖1. 采用埋柵工藝制備的高性能二硫化鉬場效應(yīng)器件
圖2. 四英寸柔性二硫化鉬場效應(yīng)器件的制備、電學(xué)測量和均勻性表征
圖3. 具有低操作電壓的邏輯門電路的大面積制造與電學(xué)表征
圖4. 具有低操作電壓的環(huán)形振蕩器的電學(xué)測量表征
