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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(duì)器件的低功耗提出了極高的技術(shù)需求。相對(duì)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(jí)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(dòng)二維半導(dǎo)體柔性集成電路走向?qū)嶋H應(yīng)用并形成競(jìng)爭(zhēng)力，降低器件功耗、同時(shí)保持器件性能是關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心研究員張廣宇課題組器件研究方向近年來(lái)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(jìn)展。近年來(lái)的代表性工作包括實(shí)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(jìn)而利用逐層外延實(shí)現(xiàn)了層數(shù)控制的多層二硫化鉬4英寸晶圓；率先實(shí)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(hào)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(duì)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(chǎng)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(dá)到75 mV/dec，接近室溫極限60 mV/dec。同時(shí)，研究通過(guò)優(yōu)化金屬沉積工藝，使得金屬電極與二硫化鉬之間無(wú)損傷接觸，避免費(fèi)米能級(jí)釘扎，使接觸電阻降低至Rc<600 Ω·μm，有效地將溝道長(zhǎng)度為50 nm的場(chǎng)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(chǎng)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(duì)隨機(jī)選取500個(gè)場(chǎng)效應(yīng)器件進(jìn)行測(cè)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(dāng)操作電壓在降低到0.5 V以下時(shí)，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(yùn)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(hào)，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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）等的支持。該研究由物理所與松山湖材料實(shí)驗(yàn)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(chǎng)效應(yīng)器件
圖2. 四英寸柔性二硫化鉬場(chǎng)效應(yīng)器件的制備、電學(xué)測(cè)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(cè)量表征
