围绕“混合维度电子器件”，利用不同维度的体材料和纳米材料形成混合维度异质结构，构筑新型半导体器件，实现器件性能和功能的提升。作为负责人承担了国家自然科学基金青年科学基金、面上、国家部委、中国科学院项目等10余项项目；以第一或通讯作者在Nature Communications（2篇）、National Science Review、Advanced Materials、Materials Today、Small 和IEEE EDL和TED等器件领域权威期刊和国际会议发表论文30余篇，在国内外会议做受邀报告10余次，申请发明专利7项；获得了金属所人才引进计划、优秀青年学者奖、以及中科院首批特聘研究岗位等人才计划和学术奖励。
1. 新结构混合维度肖特基结型高速晶体管
提高晶体管运行速度一直是人们的追求目标，这里的挑战是传统晶体管的速度被基区或沟道渡越时间所限制。为此，我们一方面采用混合维度，既利用石墨烯的原子级厚度忽略电子的垂直渡越时间，又利用体材料的耗尽区减小结电容；另一方面，采用肖特基结，使用三维半导体薄膜-石墨烯结做为新发射结构，克服隧穿机制对于载流子输运的限制，从而减小器件延迟。基于此，我们构筑了一系列肖特基结型高速晶体管。
我们使用单晶硅薄膜转移工艺，将硅纳米薄膜转移到石墨烯和锗衬底上，构筑了硅-石墨烯-锗晶体管，与隧穿发射结相比，肖特基发射结同时表现出最大的开态电流和最小的结电容，使得晶体管的总延迟时间缩短至以往报道的石墨烯基区晶体管的千分之一以下。在理想界面等条件下，该器件截止频率有望达到THz频段，为研制超高速器件提供了一种科学备选方案（图1）（Nature Commun., 10, 4873, 2019）。最近，我们进一步构筑了硅-石墨烯-硅晶体管和直接在锗上外延石墨烯的硅-外延石墨烯-锗晶体管，得益于界面电学性能的改善，前者的增益提高至10倍以上，而后者进一步提高至30倍以上（JMST, 104, 127, 2022）。“硅-石墨烯-锗晶体管”工作入选发表在2019年的《自然通讯》论文中“最受关注的前50篇物理类论文”之一。加州大学段镶锋教授指出：基于石墨烯材料的原子级厚度、高的载流子迁移率以及肖特基发射结特性，硅-石墨烯-锗晶体管具备在未来高速三维集成电路中的应用潜力（Chem. Rev. 2022, 122, 6514）。
图1. 硅-石墨烯-锗晶体管
（Nature Commun., 10, 4873, 2019）
2. 新原理混合维度异质结型光电探测器
由于具有原子级厚度及独特的能带结构，二维半导体材料在光电探测器件领域展现出独特的优势，这里的挑战是既需要提高器件的探测度等性能、又需要实现器件的新功能、还需要发展工艺制备探测器阵列。为此，我们一方面采用混合维度，使用体材料和二维材料进行能带匹配；另一方面，采用异质结，提出双异质结和截止-整流转换等新光栅原理，提升器件性能和功能。基于此，我们构筑了双异质结晶体管和光控二极管等新原理器件，并制备了1024像素探测器阵列。
光电探测器一般只使用一个光栅，获得的光增益有限；我们的双异质结晶体管则联合源和漏的两个混合维度异质结，利用光致势垒降低、实现了双异质结间的正反馈，获得了二维光电探测器中最高的、接近1017琼斯的探测度和很快的光电响应速度（图2）（Nature Commun., 12, 4094, 2021）。该工作入选在《自然通讯》发表的电子器件类亮点论文，并被 Advanced Materials和 ACS Nano等评述和文章引用，在探测度、响应速度等方面作为二维材料光电探测器最高性能的代表工作之一。
图2. 双异质结光电探测器
（Nature Commun., 12, 4094, 2021）
除了提高器件性能，我们还实现了新功能。以往的探测器在光照后仅能实现从整流态向开态、或从截止态向开态的转变，而不能从截止态转向整流态，这严重的限制了光电系统性能。我们的光控二极管填补了这一空白，它将整流结插在两个肖特基结之间构成沟道，使用体材料作为光栅层与二维材料形成混合维度异质结，通过体材料捕获光生载流子来控制肖特基结的开关，进而显现或抑制沟道中整流结的特性，实现了器件在光照后由截止态转向整流态的新信号行为。使用该器件作为像素单元，我们展示了无需选通器的光电存储阵列，为未来实现高集成度阵列提供了基本器件（图3）（Natl. Sci. Rev., 9, nwac088, 2022）。
图3. 光控二极管
（Natl. Sci. Rev., 9, nwac088, 2022）
进一步，为了制备多像素探测器阵列，需要提升材料面积并开发相应工艺，为此，我们采用了可旋涂的二维材料溶液并开发了集成工艺，实现了4英寸、具有微米精度图案化的二维材料薄膜，并构筑了具有1024像素的二维/硅异质结探测器阵列（图4）（Adv. Mater., 34, 2201298, 2022）。该工作被Materials Today 和Small 等评述论文引用，充分肯定了我们在开发与硅工艺兼容的、晶圆级二维材料薄膜加工工艺等方面的贡献。
图4. 二维-硅光电探测器阵列
（Adv. Mater., 34, 2201298, 2022）
3. 新材料混合维度堆叠型接触器件
在后摩尔时代，由于具有高载流子迁移率，锗基器件受到重点关注。这里的挑战是必须减弱金属-锗的接触电阻，然而已有方法在减小原有电阻的同时往往又引入了新的较大电阻。为此，我们一方面采用堆叠结构，使用插层结构减弱费米能级钉扎；另一方面，采用混合维度，使用碳纳米管等新插层材料减小插层电阻，从而减小接触电阻。基于此，我们构筑了一系列金属-纳米碳-锗接触器件。
图5. 堆叠型接触器件
（Small, 2201840, 2022）
在前期锗基器件研究基础上（IEEE EDL 37, 847, 2016; IEEE EDL 38, 716, 2017），我们通过直接在四英寸锗衬底上外延石墨烯，构筑了金属-石墨烯-锗接触器件，使用晶圆级二维材料插层减弱了费米能级钉扎，显著降低了铝-锗肖特基势垒高度（图5a, b）（Nanotechnology, 33, 345204, 2022）。进一步，我们构筑了金属-碳管薄膜-锗接触器件，网状导电的碳管薄膜既减弱了金属诱导间隙态效应又没有引入大电阻，获得了金属和轻掺杂n型锗之间最小的接触电阻，为锗基器件提供了一种常温、晶圆级欧姆接触工艺（图5c, d）（Small, 2201840, 2022）。国内外学者在各类综述论文中指出了我们的锗基器件技术在平面结和异质结性能等方面相对于传统技术具有明显优势，为锗基电子器件发展做出了贡献。
综上所述，我们聚焦于混合维度电子器件研究，制备了肖特基结型高速晶体管、异质结型光电探测器和堆叠型欧姆接触器件，提升了器件性能并实现了新型功能，这些研究成果为器件研究提供了基于混合维度材料的创新性研究思路。 |
