傳統(tǒng)半導(dǎo)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(jí)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(dǎo)致的極低的電流開關(guān)比限制了其在半導(dǎo)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?chǎng)效應(yīng)晶體管（VFET），可以有效的提升電流開關(guān)比，同時(shí)保持較高的開態(tài)電流密度。

近日，中國科學(xué)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(tuán)隊(duì)通過集成摩擦納米發(fā)電機(jī)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(chǎng)效應(yīng)晶體管新器件（tribotronic VFET），該器件在垂直方向上具有納米級(jí)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(dòng)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(dòng)能力，具有超高導(dǎo)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(fèi)米能級(jí)，可有效抑制費(fèi)米能級(jí)定扎效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)效應(yīng)晶體管可通過機(jī)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(shì)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(cè)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(cè)試首次量化了摩擦電勢(shì)對(duì)肖特基勢(shì)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(xiàng)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(jī)電系統(tǒng) (NEMS)、人機(jī)交互界面和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(yīng)，TENG中兩個(gè)摩擦層的橫向滑動(dòng)感應(yīng)出摩擦電勢(shì)，通過背柵輸入可以調(diào)制VFET中的電子傳輸。同時(shí)耦合的摩擦電勢(shì)可以有效地調(diào)制石墨烯/MoS2界面處的肖特基勢(shì)壘和MoS2的能帶。

圖1. 原理圖和材料表征。

該VFET可以同時(shí)實(shí)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(duì)于制造具有優(yōu)異電學(xué)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(xué)特性。

通過對(duì)摩擦電VFET進(jìn)行隨溫度變化的電學(xué)特性分析，采用-20到20 mm機(jī)械位移所產(chǎn)生的摩擦電勢(shì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯/MoS2肖特基勢(shì)壘高度調(diào)節(jié)150 meV。

圖3 石墨烯/MoS2界面的肖特基勢(shì)壘。

TENG產(chǎn)生的摩擦電勢(shì)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(duì)于驅(qū)動(dòng)LED并以主動(dòng)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(dòng)綠色LED的特性。

該研究展示了有效的摩擦電勢(shì)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(shí)現(xiàn)功能器件集成，并為下一代電子器件實(shí)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(xué)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(jì)出更緊湊的邏輯門。所提出的摩擦電VFET將在機(jī)械行為衍生半導(dǎo)體器件研究、可調(diào)功能器件、自供電交互界面等應(yīng)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