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(xiàng)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(shí)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(zhǎng),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(kāi)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(xiàng)目分類
重大科學(xué)前沿創(chuàng)新
二、成果簡(jiǎn)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(guó)家重大戰(zhàn)略需求。本項(xiàng)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(kāi)系統(tǒng)研究,主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)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(xiàng)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(shí)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(zhǎng),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(kāi)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(jí)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(guó)際知名刊物上,共計(jì)40余篇,授權(quán)專利16項(xiàng);與中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所等合作,成功實(shí)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(xiàng)目通過(guò)發(fā)展高質(zhì)量硫族半導(dǎo)體的外延生長(zhǎng)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(shì)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(chǎng)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(qiáng)增強(qiáng)型,利用這種設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了“鎖鑰”式高選擇性、高靈敏度氣體檢測(cè)器件。本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了從深紫外區(qū)到中遠(yuǎn)紅外區(qū)的寬波段高靈敏度檢測(cè),相關(guān)成果發(fā)表在Science Advances、ACS Nano等國(guó)際知名刊物上,共計(jì)30余篇,授權(quán)專利6項(xiàng)。
三、后摩爾時(shí)代新型低維電子信息器件。本項(xiàng)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(qiáng)陷阱效應(yīng)”物理模型,實(shí)現(xiàn)了高性能的亞帶隙紅外探測(cè)器和非易失性光電存儲(chǔ)器;利用雙極性溝道中橫向載流子分布的特定電場(chǎng)依賴性,在二維黑磷晶體管中實(shí)現(xiàn)了室溫負(fù)微分電阻特性;通過(guò)構(gòu)筑亞5 nm溝道二維鐵電負(fù)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(duì)稱異質(zhì)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了器件高性能與多功能的集成,器件性能為當(dāng)時(shí)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(chǔ)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(guó)際知名刊物上,共計(jì)60余篇,授權(quán)專利7項(xiàng)。
武漢大學(xué)
2022-08-15