单层二硫化钼低功耗柔性集成电路兼具高性能和低功耗

柔性电子是一种新兴技术，在信息、能源、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。其中，柔性集成电路可用于便携式、可穿戴、可植入式的电子产品中，对器件的低功耗提出了极高的技术需求。相对于传统半导体材料，单层二硫化钼二维半导体具有原子级厚度、合适的带隙且兼具刚性（面内）和柔性（面外），是一种备受瞩目的柔性集成电路沟道材料。

然而，推动二维半导体柔性集成电路走向实际应用并形成竞争力，降低器件功耗、同时保持器件性能是关键技术挑战之一。




图1 采用埋栅工艺制备的高性能二硫化钼场效应器件 中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心张广宇研究员课题组器件研究方向近年来一直聚焦于二维半导体，在高质量二维半导体晶圆制备、柔性薄膜晶体管器件和集成电路等方向取得了重要进展，在国际上相关研究领域中处于前列。近年来的代表性工作包括实现了百微米以上大晶畴及高定向的单层二硫化钼4英寸晶圆（Nano Lett 2020; 20, 7193）并进而利用逐层外延实现了层数控制的多层二硫化钼4英寸晶圆（Natl Sci Rev 2022; 9(6): nwac077）；率先实现了单层二硫化钼柔性晶体管和逻辑门电路的大面积集成（Nat. Electron. 2020; 3, 711）；展示了单层二硫化钼柔性环振电路的人工视网膜应用，模拟了人眼感光后电脉冲信号产生、传导和处理的功能（ACS Nano 2023; 17, 2, 991）。



图2. 四英寸柔性二硫化钼场效应器件的制备、电学测量和均匀性表征

近期，该课题组博士生汤建、田金朋等发展了一种金属埋栅结合超薄栅介质层沉积工艺（图一），成功将高介电常数HfO₂栅介质层厚度缩减至5 nm，对应等效氧化物厚度（EOT）降低至1 nm。所制备的硬衬底上的场效应晶体管器件操作电压可以等比例缩放至3 V以内，亚阈值摆幅达到75 mV/dec，接近室温极限60 mV/dec。同时，通过优化金属沉积工艺，使得金属电极与二硫化钼之间无损伤接触，避免费米能级钉扎，使接触电阻降低至Rc<600 Ω·μm，有效地将沟道长度为50 nm的场效应器件的电流密度提升至0.936 mA/μm @Vds=1.5 V。在此基础上，他们将该工艺应用于柔性器件的制作。四英寸晶圆尺度下柔性二硫化钼场效应晶体管阵列及集成电路表现出优异的均匀性以及器件性能保持性（图二）。对随机选取500个场效应器件进行测试发现器件兼具高良率（> 96%）、高性能（平均迁移率~70 cm² · V⁻¹ · s⁻¹）以及均匀的阈值电压分布（0.96 ± 0.4 V）。当操作电压在降低到0.5 V以下时，反相器依然具备大噪音容限和高增益、器件单元功耗低至10.3 pW·μm⁻¹；各种逻辑门电路也能够保持正确的布尔运算和稳定的输出（图三）；11阶环振电路可以稳定地输出正弦信号，一直到操作电压降低到0.3 V以下（图四）。

图3 具有低操作电压的逻辑门电路的大面积制造与电学表征

此工作展示了单层二硫化钼柔性集成电路可以兼具高性能和低功耗，为二维半导体基集成电路的发展走向实际应用提供了技术铺垫。相关结果近期以“Low power flexible monolayer MoS₂ integrated circuits”为题发表在Nature Communications 2023; 14, 3633上。

图4 具有低操作电压的环形振荡器的电学测量表征

审核编辑：刘清