具有多功能的高性能范德华异质结

新闻网讯（通讯员 黄明强）10月9日，《自然•纳米技术》在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心吴燕庆教授课题组的关于多功能高性能范德华异质结的研究新成果。该论文题目为“Multifunctional high-performance van der Waals heterostructures”。我校为本论文唯一单位，国家脉冲强磁场科学中心吴燕庆教授为论文通讯作者，物理学院2013级博士生黄明强为第一作者，其余作者包括课题组成员李晟曼，张振丰，熊雄与李学飞。

新型二维半导体材料由于其优异的电学性能和超薄体材料特性，在后摩尔时代的未来电子器件，物联网与可穿戴器件中有着广阔的应用前景，近年来成为学术界的研究热点。由二维材料通过定向干法转移制备而成的范德华异质结器件，可以省却传统化合物或硅基半导体异质结形成过程中的超高真空和高温生长工艺过程，并且避免了不同材料生长过程中由于晶格常数失配和热膨胀系数失配带来的结构缺陷与位错，因此可以便捷地形成独特的、类型丰富的超薄层状异质结电子和光电功能器件。

新型二维半导体材料由于其优异的电学性能和超薄体材料特性，在后摩尔时代的未来电子器件，物联网与可穿戴器件中有着广阔的应用前景，近年来成为学术界的研究热点。由二维材料通过定向干法转移制备而成的范德华异质结器件，可以省却传统化合物或硅基半导体异质结形成过程中的超高真空和高温生长工艺过程，并且避免了不同材料生长过程中由于晶格常数失配和热膨胀系数失配带来的结构缺陷与位错，因此可以便捷地形成独特的、类型丰富的超薄层状异质结电子和光电功能器件。

同时与横向电场可以在同一个Vdd范围内对异质结实现协同作用，同时调控其能带弯曲与费米能级的位置。由于掺杂种类与禁带宽度的差异，这两个方向电场的协同作用可以使这个异质结的能带排列从I型向II型、III型转变，因此在跨导曲线中实现丰富的非单调变化。基于此原理，首创了可调式三进制（ternary）逻辑门电路。这种三进制逻辑门除了常规“逻辑1”和“逻辑0”，还包含全新的逻辑中间态：“逻辑1/2”。

更为关键的是，在典型的“逻辑输入-逻辑输出”反相器曲线中，中间逻辑态“逻辑1/2”出现的区间范围、幅值、甚至中间逻辑态自身的存在与否都可以通过电场或者沟长进行可控调节。在通过电场调节的器件中，“逻辑输入-逻辑输出”曲线可以随着横向电场的逐渐增大从典型的二值逻辑演变为三值逻辑。在通过沟长调节的器件中，此平行区域亦可通过随沟长变化的转移特性曲线的横向负平移产生，据此亦可实现通过沟长调制中间逻辑态的三值逻辑器件。

　　这种可调性使得现有的三进制逻辑即可兼容传统二进制逻辑电路（即只使用“逻辑1”与“逻辑0”），又可以在功能多样化与更高密度等方面优于二进制逻辑，且可以进一步拓展为多值存储。在器件特性改良方面，经过沟长和金半接触工艺方面的改进与优化，实现了增益高达152的CMOS反相器。另外，针对二维材料，尤其是黑磷的温度与空气稳定性方面，本文在反相器层面也首次作了深入系统的研究。

　　通过数纳米的无机保护层材料，即可有效隔绝空气中的水氧侵蚀而使得反相器在大气环境中放置长达两个月后电学性能依然没有下降趋势。本文又进一步测试了文中所用多值及二值反相器从室温降至低温20K时的电学性能，并分析了其中电压增益变大的现象。综上所述，本文在基于二维半导体材料的范德华异质结电学功能器件中，在新功能拓展与电性能提升上实现了阶段性进展。

　　吴燕庆教授于2012年回国后建立的微纳电子功能器件制造和表征平台具备从材料生长，器件制作与表征等一系列能力。吴燕庆教授课题组致力于研究基于二维材料的后摩尔微纳功能器件与电路微系统的设计与制备，包括逻辑器件、射频器件、光电传感器、磁传感器以及量子隧穿器件。以上工作得到了国家自然科学基金委员会及我校等各类项目资助，并得到脉冲强磁场科学中心实验平台的大力支持，以及光电国家实验室微纳加工平台、分析测试中心等单位的技术支持。

　　论文链接：https://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2017.208.html