基于范德瓦尔斯异质结的逻辑器件与存储器件

来源 :中国科学院大学(中国科学院物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:baalzio
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二维材料因其优异的电学、光学、机械性能引起研究者的广泛关注。其中二维半导体材料在原子层薄的厚度下,导电状态仍能通过电场进行有效调控,使其成为器件微缩过程中极具潜力的沟道材料。此外,二维材料只有原子层薄的厚度,相较三维体材料而言,电输运行为更易受到外界环境的影响。在二维材料的不断发展中,研究者通过反向思路将不同种类的二维材料进行“创造性”堆叠,构筑了一类新材料——范德瓦尔斯异质结,协助研究者探索新奇的物理现象、构筑种类丰富的功能器件。范德瓦尔斯异质结具有原子级平整、干净、尖锐的界面,有助于实现高性能的器件。本文选取InSe、MoS2作为沟道材料,研究范德瓦尔斯异质结构的场效应晶体管、逻辑反相器、浮栅存储器。1. 采用InSe/hBN/graphite异质结作为场效应晶体管的结构单元,其中InSe、hBN、graphite分别作为沟道材料、介电层、栅极,获得了高性能的场效应晶体管,其室温电子迁移率达到1,146 cm2?V-1?s-1、开关比达到1010。将两个这样的InSe场效应晶体管集成在一起,通过局域电场调控,获得了高电压增益的反相器,其电压增益峰值达到93.4。更进一步,将异质结构的InSe场效应晶体管堆放于柔性衬底上,在2%的弯曲应变下,其性能基本没有发生变化。因此,如果能实现晶圆级、高质量的二维半导体材料以及hBN的生长,基于范德瓦尔斯异质结的晶体管结构将成为未来电子器件与柔性器件应用中有前景的器件构型。2. 将SiO2/Si衬底上InSe/hBN/multilayer graphene异质结换一种电学连接方式,就成为浮栅存储器的结构单元,其中InSe、hBN、multilayer graphene、300nm厚的SiO2、p++Si分别作为沟道材料、隧穿层、浮栅层、控制栅介电层、控制栅。基于实验中制备出原子级干净、尖锐的异质结界面,我们实现了超快读写、超高开关比、非易失的浮栅存储器,其编程时间与响应时间接近纳秒级别、室温下存储时间至少达到10年、开关比达到1010。除此之外,将沟道材料替换为MoS2,同样能获得这样高性能的浮栅存储器。更进一步,通过优化hBN厚度,实现了多值存储的浮栅存储器。超快读写、非易失的范德瓦尔斯异质结构的浮栅存储器,结合其高的开关比、多值存储,给未来存储技术带来新的机遇。3. 参与升级改造一套商用的四探针扫描隧道显微镜系统。为稳定、持久地维持系统的超高真空环境,对部分腔体与部件进行优化。此外,在快速进样腔中增加样品加热除气装置,实现样品预处理的功能。同时,为充分利用新设计小扫描管的原子分辨能力与自带大扫描管的大范围定位能力,增加了信号线的数量并进行重新布线。
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