基于大单晶双层二硫化钼的高性能射频器件研究

基于大单晶双层二硫化钼的高性能射频器件研究

2018年11月14日，《自然•通讯》（Nature Communications）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可拉伸高性能二硫化钼射频电子的研究成果。该论文标题为“Scalable high performance radio frequency electronics based on large domain bilayer MoS₂”。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，光电学院博士生高庆国和张振丰为论文共同第一作者，其余作者包括课题组成员徐晓乐，宋健，李学飞。

二维半导体因其原子级的薄体和优异的载流子输运特性而在诸如传感器、存储器以及逻辑应用等新兴的电子产品领域应用中受到极大的关注。柔性高频电子器件在未来物联网的无线通信领域具有很好的应用前景，其中柔性无源元件和有源元件取得了快速发展。尽管石墨烯晶体管在有源射频器件中广受关注，石墨烯的无带隙性质导致这些晶体管难以实现有效的电流饱和进而导致输出电导较大，这不利于高频信号的电压和功率放大。最近，基于MoS₂等二维过渡金属硫化物的高频晶体管和电路方面取得了很大研究进展，其能够克服石墨烯射频器件的关键缺点。基于机械剥离二硫化钼的高性能射频晶体管已经被证明。但是机械剥离法难以批量制备，难以实现规模化生产。为了获得低成本、可扩展的解决方案，许多研究小组发展了利用化学气相沉积（CVD）大面积合成MoS₂原子薄膜的方法。但是不论是在刚性二氧化硅衬底或者柔性聚酰亚胺衬底，基于CVD生长的单层MoS₂射频晶体管性能仍远低于基于机械剥离的MoS₂器件，因而严重限制了它们的高频应用。通常双层MoS₂的载流子迁移率要高于单层的载流子迁移率，但是现阶段通过CVD方法生长的双层MoS₂尺寸小且迁移率较低，限制了其器件性能。吴燕庆教授课题组报道了一种通过调控CVD生长期间MoO₃前驱体重量在熔融玻璃上来实现具有高迁移率、大尺寸双层MoS₂的制备方法。通过优化生长参数获得晶畴尺寸达到200 μm的双层二硫化钼，并且具有高达36 cm² V⁻¹ s⁻¹的室温电子迁移率。基于CVD双层二硫化钼的短沟道晶体管在300 K时能够提供427 μA μm^-1的开态电流，在4.3 K时进一步提升为1.52 mA μm^-1。此外，基于CVD双层二硫化钼的射频晶体管的非本征截止频率为7.2 GHz，最大振荡频率为23 GHz，为目前文献报道的二硫化钼射频器件的最大值。该成果实现了高性能二硫化钼射频晶体管的批量制备，在未来的柔性电子通信领域有一定的应用前景。

吴燕庆教授于2012年回国后以国家脉冲强磁场科学中心为依托，建立微纳器件研究课题组，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。课题组自成立以来，一直走在学术前沿，目前已有多项研究成果发表在Nature Nanotechnology， Nature communications， Advanced Materials, ACS Nano, Nano Letters等国际著名期刊。以上工作得到了中组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。