范德华外延的三层MoS2晶体，用于高速电子器件
研究背景
在过去的几年里，2D MoS2由于其原子级薄层状结构和高载流子迁移率而引起了极大的研究关注。这些性质使MoS2作为许多应用的有希望候选者。重要的是，由于超薄沟道，它被认为对短沟道效应免疫。然而，以往研究中基于CVD单层MoS2的短沟道MoS2 FET的整体性能仍远低于相同沟道长度的传统Si FET。主要限制因素之一是金属沉积过程中单层晶体的物理损伤，导致接触电阻Rc很大，这成为器件性能的瓶颈，尤其是在短沟道器件中。此外，饱和速度vsat而不是迁移率，对于确定短沟道晶体管的导通状态电流至关重要，并且在很大程度上仍然缺乏。它还限制了晶体管的固有频率。尽管最近取得了进展，但大多数器件仍然基于SiO2栅极电介质，由于SiO2电介质衬底的低热导率（α≈1 W m-1 K-1），它很容易受到自热效应的影响。最后，单层MoS2的态密度也相对较低，并且在制造过程中更容易受到界面散射的影响。另一方面，具有高迁移率和更高态密度的三层MoS2最近引起了人们的极大兴趣，对可控的高质量生长方法进行了广泛的研究。尽管已经付出了相当大的努力来在SiO2或蓝宝石衬底上生长三层MoS2薄膜，但它们通常存在大的晶畴/晶粒边界、衬底引起的缺陷和小晶畴畴尺寸，以及与剥离薄膜相比较差的电学性能。与常用的固体衬底相比，钠钙玻璃作为液体衬底之一，是一种很有前途的2D材料生长衬底，原因有很多：i）它们在高温下的光滑和惰性表面有助于降低缺陷密度。ii)玻璃中钠的存在改善了晶畴的均匀成核和横向生长。iii)玻璃的亲水性促进了一种简便且无刻蚀的转移方法，可将2D材料快速转移到任意衬底上，且降解最小。然而，在钠钙玻璃衬底上生长三层MoS2仍不发达。
成果介绍
有鉴于此，近日，华中科技大学吴燕庆教授和李学飞研究员（共同通讯作者）等报道了使用化学气相沉积(CVD)在钠钙玻璃衬底上成功地生长了具有高迁移率和大单晶的良好可控三层MoS2，横向尺寸高达148 µm，这是迄今为止报道的最大尺寸。三层MoS2 FET展示出≈1012的创纪录高开/关比和62 cm2 V-1 s-1的高载流子迁移率，与单层对应物相比表现出显著的优势。三层MoS2沟道可以缓解物理气相沉积金属的接触导致单层MoS2性能下降的长期问题，使用电子束蒸发的Ni实现了350 Ω µm的最低接触电阻。此外，使用超薄HfLaO电介质的40 nm沟道长度三层MoS2 FET在室温1 V电源电压下表现出589 µA µm-1的高电流，在4.3 K时增加到1162 µA µm-1，在使用常规蒸发金属的报道中最高。此外，在室温下还可以达到创纪录的4.2×106 cm s-1的高电子饱和速度。文章以“Van der Waals Epitaxial Trilayer MoS2 Crystals for High-Speed Electronics”为题发表在著名期刊Advanced Functional Materials上。
