柔性电子是新兴技术，在信息、能源、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。其中，柔性集成电路可用于便携式、可穿戴、可植入式的电子产品中，对器件的低功耗提出了极高的技术需求。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员张广宇课题组近年来聚焦于二维半导体，在高质量二维半导体晶圆制备、柔性薄膜晶体管器件和集成电路等方向取得了重要进展。近年来的代表性工作包括实现百微米以上大晶畴及高定向的单层二硫化钼4英寸晶圆，进而利用逐层外延实现了层数控制的多层二硫化钼4英寸晶圆；率先实现单层二硫化钼柔性晶体管和逻辑门电路的大面积集成；展示单层二硫化钼柔性环振电路的人工视网膜应用，模拟人眼感光后电脉冲信号产生、传导和处理的功能。近期，该课题组博士研究生汤建、田金朋等展示了单层二硫化钼柔性集成电路可以兼具高性能和低功耗，为二维半导体基集成电路的发展走向实际应用提供了技术铺垫。相关结果近期以Low power flexible monolayer MoS₂ integrated circuits为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications 2023; 14, 3633）上。

单层二硫化钼 (ML-MoS₂ ) 是一种新兴的二维 (2D) 半导体，在柔性集成电路 (IC) 方面具有潜力。此类ML-MoS₂ IC应用最重要的需求是低功耗和高性能。然而，由于材料质量和器件制造技术的限制，这些目前很难满足。在这项工作中，我们开发了一种超薄高κ电介质/金属栅极制造技术，用于在刚性和柔性基材上实现基于高质量晶圆级ML-MoS₂的薄膜晶体管。刚性器件可以在低功耗的深亚阈值状态下运行，并表现出可忽略的回滞、极小的亚阈值斜率、高电流密度和超低漏电流。此外，我们实现了在低于 1 V 的电压下工作的全功能大规模柔性 IC。我们的工艺可能代表着在便携式、可穿戴和植入式电子产品中使用节能型柔性 ML-MoS₂ IC 的关键一步。

相对于传统半导体材料，单层二硫化钼二维半导体具有原子级厚度、合适的带隙且兼具刚性（面内）和柔性（面外），是备受瞩目的柔性集成电路沟道材料。然而，推动二维半导体柔性集成电路走向实际应用并形成竞争力，降低器件功耗、同时保持器件性能是关键技术挑战之一。

用于超薄高κ电介质沉积的先栅极技术

在高能效系统中，晶体管和电路理想情况下应具有低驱动电压，该电压可以通过使用高电容介电层实现高效静电栅极来产生。因此，我们采用了 HfO₂超薄高 K 电介质，这是一种广泛应用于当前硅基高性能和低功耗电子产品的技术。由于超薄高κ电介质由于缺乏表面悬空键而很难在MoS ₂上沉积，因此我们开发了高κ电介质/金属栅极技术，即栅极优先技术，用于ML-MoS₂ TFT。图 1a图1示出了器件的几何结构，其中掩埋Ti-Au-Ti作为局部背栅电极，超薄HfO₂作为介电层，ML-MoS₂作为沟道，Au作为源/漏电极。

在器件先栅制造工艺中，首先通过标准光刻和电子束蒸发工艺将 Ti-Au-Ti (1-5-1 nm) 埋栅电极沉积在基板（刚性或柔性）上。请注意，在 O₂等离子体中氧化后的顶部 1 nm-Ti 层用作后续高 K 电介质原子层沉积 (ALD) 的籽晶层；而底部 1 nm-Ti 层则充当 Au 和基板之间的粘合层。除了用于随后在石墨烯等 2D 材料上沉积HfO₂的籽晶层之外，我们的方法采用金属栅极上的籽晶层，这种方法更通用并且与半导体制造工艺兼容。在金属栅极沉积之前和之后，我们进行了氧等离子体清洗，以去除光刻工艺中引入的图案/金属栅极的侧壁和顶面上的光刻胶残留物，如补充图1所示 。借助这种清洁工艺，我们可以生产具有清洁表面和清晰边界的扁平金属门。ALD之后，通过原子力显微镜(AFM)表征，金属栅极上沉积的HfO₂层非常均匀。5 nm HfO ₂的表面粗糙度测量沉积在 Ti/Au/Ti 金属栅极上的厚度通常<0.5 nm。高 K电介质沉积后，通过湿法化学蚀刻将4 英寸晶圆尺寸的 ML-MoS ₂薄膜（薄膜质量表征和比较参见补充图 2和表 1 ）转移到整体结构上，并且转移的 ML-MoS ₂薄膜在目标基板上几乎完整且平坦（参见方法和补充图 3）。最后，进行多步光刻、反应离子蚀刻（RIE）和电子束蒸发来限定沟道和源极/漏极（S/D）接触区域。

我们评估SiO ₂基板上具有归一化沟道长度 ( L_ch ) 和宽度 ( W )的 ML-MoS₂ TFT 。图 1f显示了HfO₂层厚度为5和10 nm的器件的归一化传输曲线( I _ds · L / W -Δ V _{g )。}作为比较，还包括30 nm 厚的 Al₂O₃器件。可以清楚地看出，随着t _HfO2 的减小和ε _r的增加，栅极电压 ( V _g) 可以从 15 V 降低到 3 V，SS 可以从 250 mV·dec ^-1降低到 75 mV·dec ^-1，同时保持通态电流 ( I _on ) 密度和开/关比。

图1. 埋栅工艺制备高性能二硫化钼晶体管

接下来，我们在柔性PET基板上实现了超薄高κ电介质/金属栅极沉积技术。图 2a显示了PET 基板上的4 英寸晶圆级 ML-MoS₂ TFT。这些长沟道 TFT 具有高器件良率 (>96%) 和良好的空间均匀性。在图 2b中，我们显示了 500 个随机挑选的 TFT 的传输曲线，其中L _ch 的变化范围为 5 至 75 μm。器件的μ _FE、开/关比、阈值电压( V _th )和SS的统计数据如图 2c所示。根据洛伦兹分布拟合，μ_FE平均值约为 70 cm ² ·V ^-1 ·s ^-1（最大值 >110 cm ² ·V ^-1 ·s ^-1）；开/关比平均值为 5 × 10 ⁷（最大值约为 1 × 10 ⁹）；V _th 的中心值为 0.96 ± 0.4 V；SS平均值为83mV·dec ^-1。所有这些性能与之前在刚性 ML-MoS₂ TFT中实现的性能相当（补充表 2），并且比之前最先进的柔性 TFT（补充表 3）有很大改进。这里值得注意的是，正V _th和小 SS 对于我们设备的低功耗至关重要，如稍后所示。请注意，我们还实现了基于 5 nm HfO ₂的柔性 ML-MoS ₂ FET的制造，如补充图 1 和 2 中测量的那样。考虑到5 nm HfO ₂的器件良率较低(~60%)和较高的漏电流水平，在后续实验中我们主要采用10 nm HfO ₂作为集成逻辑门的介电层。

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图2. 柔性二硫化钼场效应器件的制备与电学性能

图3. 低驱动电压的逻辑门电路的制备与电学性能

图4. 低驱动电压的环形振荡器的电学性能

高质量 ML-MoS₂薄膜的生长

使用S(Alfa，99.5％，8g)和MoO₃ (Alfa，99.9995％，30mg)粉末作为反应源在CVD系统中进行生长。使用4英寸c面蓝宝石晶片作为基板。为了实现大的域尺寸，我们打算降低生长过程中的成核密度并相应地延长生长时间。通过对MoO₃ 源使用较高的氧气流量并通过降低其蒸发温度、增加Mo源与蓝宝石衬底之间的距离来减少Mo源通量，降低了MoS₂ 的成核密度。在生长期间，通入Ar(40sccm)和Ar(240sccm)/O 2 (10sccm)载气以提供S功率和MoO₃单独且室内压力为 ~1 Torr；S-、MoO₃ -源和基底的温度保持在130°C、530°C和930°C ；生长过程通常持续50分钟左右。医疗技术展发现，补充图 2显示了高质量 4 英寸 ML-MoS₂晶圆的光学图像，其大域尺寸在 200 μm 至 500 μm 之间。这些域紧密地缝合在一起，形成 100% 覆盖率的连续薄膜。

高κ介电层的沉积

通过Savannah-100系统(Cambridge NanoTech.Inc.)用H₂O和四二甲氨基铪(TDMAH)在Ti/Au/Ti (1 nm/5 nm/1 nm)局部金属栅上进行HfO₂的ALD作为前体。在沉积过程之前，我们使用O₂等离子体通过反应离子蚀刻（RIE）处理Ti/Au/Ti电极表面以氧化表面Ti层。氧化层 (TiO₂– x）充当致密高κ电介质沉积的缓冲层。沉积过程中，通入20sccm高纯氮气作为载气和吹扫气体；反应器压力约为3托；并将TDMAH前体加热至75℃。柔性样品的沉积温度为 110 °C 或 150 °C，刚性样品的沉积温度为 200 °C。TDMAH/H 2 O 前驱体的脉冲和反应时间为 0.015/0.15 和 60/60 秒，每个周期的沉积速率约为 1 Å。

器件制造和测量

TFT 和逻辑器件通过标准微加工工艺制造，例如电子束光刻或 UV 光刻、氧气 RIE、电子束蒸发和剥离。通过在 KOH 溶液（1 Mol/L，110 °C）中进行湿法蚀刻，有助于将ML-MoS₂薄膜从蓝宝石转移到目标基板。该过程如补充图 3所示。通过电子束蒸发以~0.01 Å·s -1的超低沉积速率制造了具有干净界面的金接触电极（10–15 nm）。所有电气测量均在 Janis 探针站中、基本压力为 10 ^-6下进行Torr 在室温下使用 Agilent 半导体参数分析仪（B1500，高分辨率模块）和 Agilent 数字示波器 (DSO-X 3054 A)。

文章来源： 二维材料君