低維半導(dǎo)體表界面調(diào)控及電子、光電子器件基礎(chǔ)研究
本項目提出并發(fā)展了通用的硅基二維半導(dǎo)體材料范德華外延技術(shù), 實現(xiàn)了多種層狀和非層狀半導(dǎo)體材料的二維薄膜可控生長,解決了傳統(tǒng)外延方法中存在的晶格失配、熱失配等多物理失配技術(shù)難題,開辟了非層狀材料在二維電子器件領(lǐng)域的研究新方向。
一、項目分類
重大科學(xué)前沿創(chuàng)新
二、成果簡介
基于新材料、新架構(gòu)的硅基高密度集成信息功能器件的自主發(fā)展是國家重大戰(zhàn)略需求。本項目圍繞新型低維半導(dǎo)體材料的大規(guī)模可控制備、物性調(diào)控及其電子、光電器件展開系統(tǒng)研究,主要技術(shù)創(chuàng)新點有:
一、二維半導(dǎo)體材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的大規(guī)模可控制備。本項目提出并發(fā)展了通用的硅基二維半導(dǎo)體材料范德華外延技術(shù), 實現(xiàn)了多種層狀和非層狀半導(dǎo)體材料的二維薄膜可控生長,解決了傳統(tǒng)外延方法中存在的晶格失配、熱失配等多物理失配技術(shù)難題,開辟了非層狀材料在二維電子器件領(lǐng)域的研究新方向。在晶圓級二維半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)上構(gòu)建出大規(guī)模的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu),得到了具有高可靠性和穩(wěn)定性的集成器件。相關(guān)成果發(fā)表在Science Advances、Advanced Materials等國際知名刊物上,共計40余篇,授權(quán)專利16項;與中國電子科技集團公司第十三研究所等合作,成功實現(xiàn)了非層狀GaN在大失配硅基襯底上的高質(zhì)量外延,為第三代半導(dǎo)體的硅基集成提供了新的技術(shù)路線。
二、基于低維半導(dǎo)體材料的高靈敏光電器件。本項目通過發(fā)展高質(zhì)量硫族半導(dǎo)體的外延生長新工藝,系統(tǒng)研究了MoTe2、PbS、CdTe等30余種二維半導(dǎo)體材料的光電性質(zhì),極大地拓展了傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光電材料體系;首次提出一種橋接的異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑方式,大大降低了范德華間隙引入的光生載流子注入勢壘,獲得了高性能二維異質(zhì)結(jié)光電器件;發(fā)展了納米線場效應(yīng)晶體管器件表面修飾方法,調(diào)節(jié)晶體管特性為強增強型,利用這種設(shè)計,實現(xiàn)了“鎖鑰”式高選擇性、高靈敏度氣體檢測器件。本項目實現(xiàn)了從深紫外區(qū)到中遠紅外區(qū)的寬波段高靈敏度檢測,相關(guān)成果發(fā)表在Science Advances、ACS Nano等國際知名刊物上,共計30余篇,授權(quán)專利6項。
三、后摩爾時代新型低維電子信息器件。本項目基于低維半導(dǎo)體材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的物性調(diào)控,首次提出了二維半導(dǎo)體材料中的“增強陷阱效應(yīng)”物理模型,實現(xiàn)了高性能的亞帶隙紅外探測器和非易失性光電存儲器;利用雙極性溝道中橫向載流子分布的特定電場依賴性,在二維黑磷晶體管中實現(xiàn)了室溫負微分電阻特性;通過構(gòu)筑亞5 nm溝道二維鐵電負電容晶體管,使得亞閾值擺幅突破玻爾茲曼物理極限,有效降低了器件能耗;創(chuàng)新性的提出多層二維范德華非對稱異質(zhì)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了器件高性能與多功能的集成,器件性能為當(dāng)時最高指標(biāo);發(fā)展了新型存算一體架構(gòu)電子器件技術(shù),首次演示了兼具信息存儲和處理能力的二維單極性憶阻器,有望突破當(dāng)前算力瓶頸,提供集成電路發(fā)展的新途徑。相關(guān)成果發(fā)表在Nature Electronics、Nature Communications等國際知名刊物上,共計60余篇,授權(quán)專利7項。
武漢大學(xué)
2022-08-15