傳統(tǒng)半導體集成電路的發(fā)展面臨著尺寸持續(xù)縮小的技術(shù)瓶頸，新興的石墨烯等二維材料基于其納米級厚度和極高的載流子遷移率一直備受關(guān)注。但是由于石墨烯零帶隙導致的極低的電流開關(guān)比限制了其在半導體領(lǐng)域的發(fā)展。因此，通過集成垂直結(jié)構(gòu)范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑縱向傳輸?shù)拇怪眻鲂?a target="_blank">晶體管（VFET），可以有效的提升電流開關(guān)比，同時保持較高的開態(tài)電流密度。

近日，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士和孫其君研究員團隊通過集成摩擦納米發(fā)電機與石墨烯/二硫化鉬（MoS2）垂直異質(zhì)結(jié)，構(gòu)筑了摩擦電垂直場效應晶體管新器件（tribotronic VFET），該器件在垂直方向上具有納米級溝道長度，并展現(xiàn)出較大電流開關(guān)比和較高的開態(tài)電流密度。

該摩擦電VFET器件由垂直堆疊的石墨烯/MoS2/金屬結(jié)構(gòu)和水平滑動模式的TENG組成。VFET在垂直方向上具有超短溝道長度，顯示出出色的電流驅(qū)動能力，具有超高導通電流密度950 Acm^-2^的和良好的電流開/關(guān)比~630。此外，干凈的范德華界面以及可調(diào)的石墨烯費米能級，可有效抑制費米能級定扎效應，實現(xiàn)對二硫化鉬溝道能帶結(jié)構(gòu)地有效調(diào)控，因此利用該摩擦電垂直場效應晶體管可通過機械位移來有效調(diào)節(jié)垂直范德華異質(zhì)結(jié)的肖特基勢壘高度。相關(guān)研究成果以“Tribotronic Vertical Field-Effect Transistor Based on van der Waals Heterostructures”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》。

在該工作中，作者第一次將變溫測試用于摩擦電晶體管，通過熱電子發(fā)射理論和溫度依賴特性測試首次量化了摩擦電勢對肖特基勢壘高度的調(diào)制（~150 meV）。此外，器件還表現(xiàn)出多功能特性，包括可重構(gòu)的二極管特性（整流比超過10^2^）和觸覺調(diào)控的交互式智能LED，可通過外部位移輕松調(diào)制LED的亮度。這項工作為開發(fā)基于二維層狀材料的下一代晶體管在三維集成、多功性、多樣性以及智能傳感等方面提供了重要啟示，展現(xiàn)了探索新概念器件的潛在途徑，也為納米機電系統(tǒng) (NEMS)、人機交互界面和物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路。

通過摩擦起電和靜電感應，TENG中兩個摩擦層的橫向滑動感應出摩擦電勢，通過背柵輸入可以調(diào)制VFET中的電子傳輸。同時耦合的摩擦電勢可以有效地調(diào)制石墨烯/MoS2界面處的肖特基勢壘和MoS2的能帶。

圖1. 原理圖和材料表征。

該VFET可以同時實現(xiàn)950 A cm^-2^高開態(tài)電流密度和630的高電流開關(guān)比，這對于制造具有優(yōu)異電學特性的摩擦電子VFET至關(guān)重要。通過利用石墨烯/MoS~2 ~的垂直范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，它還表現(xiàn)出明顯的可重構(gòu)二極管行為，整流比超過10 ^2^ 。

圖2 垂直晶體管和摩擦電子垂直晶體管室溫下的電學特性。

通過對摩擦電VFET進行隨溫度變化的電學特性分析，采用-20到20 mm機械位移所產(chǎn)生的摩擦電勢可實現(xiàn)對石墨烯/MoS2肖特基勢壘高度調(diào)節(jié)150 meV。

圖3 石墨烯/MoS2界面的肖特基勢壘。

TENG產(chǎn)生的摩擦電勢還可以很好地控制VFET的電子傳輸，并允許大電流流過范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的重疊區(qū)域，這對于驅(qū)動LED并以主動和交互模式控制其亮度至關(guān)重要。

圖4. 摩擦電子垂直晶體管驅(qū)動綠色LED的特性。

該研究展示了有效的摩擦電勢可調(diào)諧晶體管和二極管行為，為各種二維層狀材料在垂直方向上實現(xiàn)功能器件集成，并為下一代電子器件實現(xiàn)三維一體化提供了一種有前途的策略。該工作提出的垂直摩擦電子學器件概念可以通過基于超薄范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)二極管增加器件的功能，并設(shè)計出更緊湊的邏輯門。所提出的摩擦電VFET將在機械行為衍生半導體器件研究、可調(diào)功能器件、自供電交互界面等應用領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿Α?br />

審核編輯：劉清