孙其君研究员团队AFM:基于范德华异质结的摩擦电垂直场效应晶体管

孙其君研究员团队AFM:基于范德华异质结的摩擦电垂直场效应晶体管

时间: 2024-01-27 21:34:12 |   作者: 优游国际ub8下载

  随着物联网(IoTs)的持续不断的发展,对智能传感的需求持续不断的增加。作为边缘终端器件,可持续的能源供应一直是要解决的核心问题。摩擦纳米发电机可有效实现机电信号转换,并源源不断的获取外部机械能来驱动微纳传感器件或实现自驱动智能感知。通过集成摩擦纳米发电机与场效应晶体管,可以轻松又有效地利用机械运动产生的摩擦电信号来调制半导体沟道的导电状态,因此衍生出了一类新型的半导体器件-即摩擦电子学器件。该类半导体器件已经大范围的应用于人工仿生突触器件、交互式神经形态器件、光伏器件以及多功能智能传感器等领域。

  我们知道,传统半导体集成电路的发展面临着尺寸持续缩小的技术瓶颈,新兴的石墨烯等二维材料基于其纳米级厚度和极高的载流子迁移率一直非常关注。但是由于石墨烯零带隙导致的极低的电流开关比限制了其在半导体领域的发展。因此,通过集成垂直结构范德华异质结构筑纵向传输的垂直场效应晶体管(VFET),可以轻松又有效的提升电流开关比,同时保持比较高的开态电流密度。

  近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和孙其君研究员团队通过集成摩擦纳米发电机与石墨烯/二硫化钼(MoS2)垂直异质结,构筑了摩擦电垂直场效应晶体管新器件(tribotronic VFET),该器件在垂直方向上具有纳米级沟道长度,并展现出较大电流开关比和较高的开态电流密度。该摩擦电VFET器件由垂直堆叠的石墨烯/MoS2/金属结构和水平滑动模式的TENG组成。VFET在垂直方向上具有超短沟道长度,显示出出色的电流驱动能力,具有超高导通电流密度950 Acm-2的和良好的电流开/关比~630。此外,干净的范德华界面以及可调的石墨烯费米能级,可有效抑制费米能级定扎效应,实现对二硫化钼沟道能带结构地有效调控,因此利用该摩擦电垂直场效应晶体管可通过机械位移来有效调节垂直范德华异质结的肖特基势垒高度。在该工作中,作者第一次将变温测试用于摩擦电晶体管,通过热电子发射理论和温度依赖特性测试首次量化了摩擦电势对肖特基势垒高度的调制(~150 meV)。此外,器件还表现出多功能特性,包括可重构的二极管特性(整流比超过102)和触觉调控的交互式智能LED,可通过外部位移轻松调制LED的亮度。这项工作为开发基于二维层状材料的下一代晶体管在三维集成、多功性、多样性以及智能传感等方面提供了重要启示,展现了探索新概念器件的潜在途径,也为纳米机电系统 (NEMS)、人机交互界面和物联网应用领域的发展提供了新的思路。该成果以“Tribotronic Vertical Field-Effect Transistor Based on van der Waals Heterostructures”为题发表在Advanced Functional Materials上。

  通过摩擦起电和静电感应,TENG中两个摩擦层的横向滑动感应出摩擦电势,通过背栅输入可以调制VFET中的电子传输。同时耦合的摩擦电势可以轻松又有效地调制石墨烯/MoS2界面处的肖特基势垒和MoS2的能带。

  图1 原理图和材料表征。(a)基于范德华异质结的摩擦电子垂直场效应晶体管(VFET)示意图。(b)垂直堆叠石墨烯/MoS2的光学图像和(c)相应的AFM图像。(d,e)少层MoS2和单层石墨烯的拉曼光谱。(f)水平滑动模式TENG与VFET耦合的工作原理示意图。

  该VFET可以同时实现950 A cm -2高开态电流密度和630的高电流开关比,这对于制造具备优秀能力电学特性的摩擦电子VFET至关重要。通过利用石墨烯/MoS 2 的垂直范德华异质结构,它还表现出明显的可重构二极管行为,整流比超过10 2。

  图2 垂直晶体管和摩擦电子垂直晶体管室温下的电学特性。(a)垂直晶体管的输出特性 J-VD。(b)垂直晶体管在VD= 0.5 V时的转移特性 J–VG。(c) 不同栅压下的整流比,插图为VG= −60 V 时理想系数为 η = 1.3 的二极管行为(d)摩擦电子垂直晶体管的输出特性J–VG。(e) 摩擦电子器件在VD=0.5和−0.5 V时的转移特性 J–VG。(f)不同TENG位移下的整流比,插图为D = −8 mm时理想因子η = 1.25的二极管行为。(g,h)产生正(负)摩擦电势的水平滑动模式TENG示意图,以及漏极正向偏置(V D 0)下的能带结构。

  通过对摩擦电VFET进行随气温变化的电学特性分析,采用-20到20 mm机械位移所产生的摩擦电势可实现对石墨烯/MoS 2肖特基势垒高度调节150 meV。

  图3 石墨烯/MoS2界面的肖特基势垒。(a)不一样的温度下摩擦电子垂直晶体管在D = 0mm时的输出特性 J-VD。(b)D = 0 mm时,不同偏置电压下的阿伦尼乌斯曲线/T的关系,以提取与偏置相关的斜率S。(c)提取的斜率 S 呈现与VD的线性依赖性: S(VD) = −q(ΦB−VD/n)/κB。(d, e)不一样的温度下摩擦电子垂直晶体管在D = −24和24 mm时的输出特性J–VD。(f)提取的势垒高度变化 ΦB与TENG位移D的函数关系。

  TENG产生的摩擦电势还可以很好地控制VFET的电子传输,并允许大电流流过范德华异质结构的重叠区域,这对于驱动LED并以主动和交互模式控制其亮度至关重要。

  图4摩擦电子垂直晶体管驱动绿色LED的特性。(a)VFET驱动的绿色 LED 器件的 ID–VG特性。(b)当TENG位移D从-8到8mm变化时,由摩擦电子VFET驱动的绿色LED器件的ID–VD特性。(c)器件的时域动态测试。插图为相应的ID–D 图。(d)根据TENG位移D和对LED进行亮度控制及相应的光学图像。

  该研究展示了有效的摩擦电势可调谐晶体管和二极管行为,为各种二维层状材料在垂直方向上实现功能器件集成,并为下一代电子器件实现三维一体化提供了一种有前途的策略。该工作提出的垂直摩擦电子学器件概念能够最终靠基于超薄范德华异质结构的可重构二极管增加器件的功能,并设计出更紧凑的逻辑门。所提出的摩擦电VFET将在机械行为衍生半导体器件研究、可调功能器件、自供电交互界面等应用领域展现出了巨大的发展潜力。

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