新型高迁移率过渡金属硫化物PtSe2的可控生长及场效应晶体管应用研究

In recent years, the rapid development of silicon semiconductor industry has led to remarkable decrease in the size of field effect transistors (FETs), while at the same time enabling power reduction, performance improvement and on-chip integration. However, the increase in static power and the leakage of current between the source and drain electrodes becomes even more obvious as the size of devices scales down to nanoscale. In comparison, in FETs with channel made from 2D semiconductors, short-channel effects are almost eliminated because all electrons are confined in atomically thin channels and, hence, are uniformly influenced by the gate voltage. Among various 2D semiconductors, PtSe2, a new transition metal dichalcogenides, has received extensive attention due to its unique advantages in ultra high electron mobility, good environmental stability, low growth temperature and widely tunable bandgap, etc. But so far, the performance of PtSe2-based FETs still suffers from the Fermi-level pinning and interface carrier scattering. This project intends to solve the problems, including contact resistance, dielectric design, Se defect, and so on, focusing on the preparation of high-performance top-gated PtSe2 FETs and the corresponding research on electrical properties. On this basis, this project will also try to construct high-performance and novel PtSe2-based logic circuits combining its large area growth technology.

近些年，随着硅基半导体工业的快速发展，场效应晶体管的尺寸日趋减小，这一方面降低了能耗，另一方面也显著提升了电路的性能及集成度。然而，随着器件的尺寸进入纳米尺度，短沟道效应导致的静态功耗增加、漏电流加大现象愈发显著。相比起来，二维半导体材料原子级别的厚度可以最大限度的避免短沟道效应的影响，因而被视作硅材料极具希望的替代者。这其中，一种新型过渡金属硫化物硒化铂，因其具备超高的电子迁移率、良好的环境稳定性、低生长温度以及宽可调带隙等特点，目前正受到研究人员的广泛关注。但迄今为止，其晶体管应用研究仍处于起步阶段，且相应器件受费米能级钉扎及界面载流子散射现象影响严重，导致性能难以达到理想状态。本项目拟尝试多种方案，对包括接触电阻、介质层设计、硒缺陷在内的诸多因素进行研究，聚焦于高性能硒化铂顶栅晶体管的制备及相关电学性质研究，并在此基础上结合其大面积生长成果构建基于硒化铂的逻辑电路。

光电探测器是光电子技术在通信和图像传感领域中的重要应用产品。目前，长距离、高速率、大容量光通信系统的广泛应用对探测器的高灵敏度、低噪声、宽光谱响应范围、高线性度及快速响应时间等诸多性能提出了进一步要求。同时，信息社会数据量的爆发性增长也需要更高集成度、更低功耗的芯片化光电器件集成技术。基于传统半导体材料的光电探测器尽管在产品商业化方面表现出较好的成本优势，但也普遍存在灵敏度较低、噪声较高、光学结构设计复杂等缺点。各种新兴材料中，二维半导体因其高载流子迁移率、可调带隙等特征受到广泛关注。然而，光吸收能力不足使得目前基于二维半导体的光电探测器光响应度较低，极限光探测能力无法实现。基于光栅效应研制的二维半导体光电探测器能够大幅度提升器件光灵敏度，但广泛采用的范德华异质结构体系导致光电导增益难以最优化，普遍存在的迟滞效应影响器件稳定性，另外还存在高响应度与高线性度无法兼得，光谱带宽不足，窄带光探测能力欠缺的问题。针对以上问题，项目负责人将高迁移率二维半导体与钙钛矿材料相结合，利用后者直接带隙、高吸收系数、长载流子扩散长度、强缺陷耐受性等优异的光学、电学性质，构筑二维半导体/钙钛矿异质结构，制备高灵敏度、快速响应光电探测器；进一步，开发高k材料/钙钛矿异质结构用作二维半导体光电晶体管的电介质，实现具备零回滞、高灵敏度、低噪声、高线性度特征的光电探测器；在此基础上，基于金属氧化物半导体/钙钛矿异质结构构筑大面积、柔性、超灵敏、宽光谱光电探测器，上述工作为光电探测器的结构设计提供了新的思路。

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