第一作者：刘陶、刘松

通讯作者：Slaven Garaj

通讯单位：新加坡国立大学

研究亮点：

1. 通过调控底板的纳米尺度形貌产生应力场，显著提高了二硫化钼晶体管的载流子在常温常压下的迁移率和饱和电流。

2. 该方法同样适用于其他n型和p型的二维材料。

为什么要研究二维晶体管在常温常压下的输运性质

二维半导体材料以其丰富且独特的物理性质，在未来半导体工业中极具潜力。基于二维材料的电子器件在常温常压下的输运性质是发展二维半导体工业的基础。

二维晶体管在常温常压下所面临的问题

由于众多因素的影响，二维材料薄膜在常温常压下的场效应迁移率及饱和电流远低于理论计算，极大地限制了其在实际应用中的前景。大量实验结果表明，改变电极和底板材料并不能有效地提升二维晶体管在常温常压下的性能。

另一方面，很多实验结果和理论计算表明，当二维材料处于应力场中，会产生直接能带到间接能带的变化，且载流子迁移率会明显提升。

成果简介

有鉴于此，新加坡国立大学物理系的Slaven Garaj课题组提出并实现了一种以底板的纳米尺度形貌产生的应力场为基础，显著提高二维材料在常温常压下的输运性质的方法：二维褶皱晶体管。

图1高性能的MoS₂ 褶皱晶体管。a，褶皱晶体管的概念图及底板的AFM图像。b，褶皱晶体管的IV特性曲线。c，输运特性曲线。

这种晶体管通过使用表面起伏度较高的氮化硅底板（平均粗糙度为2纳米，最高点约为10到15纳米）对二硫化钼产生无序的应力场，在常温常压下实现了接近两个数量级的载流子迁移率提升，以及一个数量级的饱和电流提升。基于在无序应力场中观察到的现象，团队通过自组装分子制作了尺寸可控的褶皱底板，并观察到了一致的输运性能提升。团队也证明了应力场对二维材料性能的提升是同时适用于n型和p型材料的。

要点1：无序应力场对二维晶体管性能的影响

在这项工作中，团队首先在粗糙氮化硅底板上制作了两电极的二硫化钼晶体管，发现最大场效应迁移率达到了820 cm² V^-1 s^-1，在1微米沟道长度下的最大饱和电流达到了310 µA µm^-1。对67个相似器件的统计结果证明了这一现象的重复性 （图1、2）。团队研究了单层至5层的二硫化钼器件，都显示出了相似的性能提升效果。

图2 MoS₂ 晶体管迁移率和底板形貌。a，平均场效应迁移率和底板平均粗糙度的关系。b，不同底板上器件迁移率的统计分布。

为了区分底板材料和底板形貌对器件性能的影响，团队统计性地分析了具有不同表面粗糙度的不同材料的底板，发现器件性能主要受到底板表面形貌的影响，而底板材料本身的作用并非主导（图2）。

要点2：人工调控的应力场对二维材料具有和无序应力场一致的作用

为了研究该方法的可控性，团队通过自组装分子制备了蚀刻蒙版，在传统二氧化硅底板上实现了尺寸可控的粗糙度。团队发现这种底板对MoS₂晶体管性能的提升作用与其他粗糙底板一致，说明可以通过人工调控二氧化硅的形貌来提升传统器件的性能（图3）。

图3人工制备的SiO₂粗糙底板。a，人工粗糙SiO₂底板的制作过程示意图。b，蚀刻蒙版的SEM图像和制备完成后的粗糙SiO₂底板的AFM图像。c，粗糙SiO₂底板上的器件迁移率分布。

要点3： 应力场对晶体管性能提升的普适性

由于其他二维材料在结构和性质上和二硫化钼的相似性，以及二维异质结在未来器件应用中的巨大前景，团队在其他的n型（二硒化钼）和p型（二硒化钨）材料中测试了底板应力场的效果，发现这种方法同时适用于不同类型的材料（图4）。

图4其他二维材料场效应晶体管在传统二氧化硅和粗糙氮化硅底板上的性能。在n型和p型材料中都观察到了场效应迁移率的提升。

小结

综上所述，本研究通过在纳米尺度下调控底板形貌产生的应力场，实现了常温常压下二维场效应晶体管性能的显著提升，并且这种方法对n型和p型的材料具有普适性。应力调控是CMOS制备和应用中一项重要的技术，该结果对二维材料的适用性和传统半导体工业相兼容，为二维材料在工业化中的应用提供了更广阔的前景。

参考文献：

Liu T, Liu S, TuK-H, et al. Crested two-dimensional transistors. Nature Nanotechnology, 2019.

DOI:  10.1038/s41565-019-0361-x

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0361-x