摘要：2025年1月16日，复旦大学光电研究院褚君浩院士和李文武教授团队在Nano Letters期刊上以「Selenium Interface Layers Boost High Mobility and Switch Ratios in van der Waal

2025年1月16日，复旦大学光电研究院褚君浩院士和李文武教授团队在Nano Letters期刊上以「Selenium Interface Layers Boost High Mobility and Switch Ratios in van der Waals Electronics」为题目，发表了关于二维材料场效应晶体管接触调控的最新研究成果。复旦大学光电研究院硕士研究生张弛和博士后李恩龙为论文的共同第一作者，光电研究院李文武教授为论文通讯作者，论文的研究工作得到了褚君浩院士、林彦甫教授、石武青年研究员的大力支持。

该研究提出了一种创新的硒牺牲层方法，用于制备具有高迁移率和高电流开关比的ReS₂场效应晶体管。研究团队通过阿伦尼乌斯方法、低频噪声分析及TCAD器件仿真，深入探讨了硒牺牲层对ReS₂场效应晶体管性能的调控机制。实验结果表明，硒牺牲层能够有效地在源漏电极的制备过程中保护ReS₂材料，降低源漏金属电极位置的肖特基势垒和缺陷态密度，从而显著增大开态电流、降低关态电流，最终在7K的温度下实现237 cm²V⁻¹s⁻¹的迁移率和10¹¹电流的开关比。这一研究成果为开发高性能二维材料场效应晶体管提供了一种有效的新方法，并展望了ReS₂在下一代逻辑电路中的应用前景。

背景介绍

随着电子器件的微型化，二维范德华材料因其对短沟道效应的免疫能力，成为下一代高性能场效应晶体管（FET）材料的理想选择。然而，目前实验室制备的二维材料场效应晶体管面临关态电流过大和迁移率较低的问题，主要原因是源漏电极在制备过程中容易对二维材料造成高能金属粒子的轰击，导致材料的性能损失。因此，如何在源漏电极制备过程中有效保护二维材料，提升其电学性能，成为实现高性能二维材料场效应晶体管应用的关键。

图文解读

图1 | 硒牺牲层保护二维半导体材料的调控机制。

硒牺牲层接触调控机制：硒在10⁻⁶torr压力下的热蒸发沉积镀膜温度为125 ℃，这一温度不会破坏二维材料，因此在制备ReS₂场效应晶体管的源漏电极之前，在电极接触位置先沉积一层硒牺牲层能够有效保护ReS₂不受高能金属颗粒轰击破坏。此外，硒牺牲层能够在后续的退火工艺中被有效去除。硒牺牲层对ReS₂的保护能够降低场效应晶体管电极触位置的肖特基势垒和缺陷态密度，从而增大场效应晶体管的开态电流，降低了关态电流。

图2 | 接触调控下ReS₂场效应晶体管的电学性能。

ReS₂场效应晶体管电学性能提升：采用硒牺牲层接触调控后，在300K的温度下ReS₂场效应晶体管的迁移率从10 cm²V⁻¹s⁻¹提升到42 cm²V⁻¹s⁻¹，电流开关比从2×10⁷提升到1×10⁹，并且电学性能稳定，在60V的偏压条件下，阈值电压不会发生偏移。ReS₂晶体管器件在7K的温度下迁移率进一步提升到237 cm²V⁻¹s⁻¹，电流开关比达到10¹¹，是当前ReS₂场效应晶体管报道的最大值。

图3 | 晶体管接触特性的TCAD器件仿真。

物理机制分析：变温阿伦尼乌斯测试和低频噪声分析表明电极接触位置肖特基势垒和缺陷态密度的减小是ReS₂场效应晶体管电学性能提升的主要原因。通过硒牺牲层保护，电极接触位置的肖特基势垒从220 meV减小到75 meV，缺陷态密度从10¹² eV⁻¹cm⁻²减小到10¹¹ eV⁻¹cm⁻²。

逻辑电路应用：通过器件的互连，硒牺牲层方法制备的ReS₂场效应晶体管能够有效实现与门、或门、与非门、或非门的逻辑功能，展示其在集成电路的应用前景。

图4 | 硒接触调控下ReS₂晶体管逻辑门电路应用。

总结与展望

通过采用硒牺牲层方法，在源漏电极制备过程中有效保护了ReS₂材料，降低了电极接触处的肖特基势垒和缺陷态密度。这一创新性方法显著提升了ReS₂场效应晶体管的开态电流，降低了关态电流，最终在7 K下实现了237 cm²V⁻¹s⁻¹的迁移率和10¹¹的电流开关比。通过这一技术，研究成功实现了基于ReS₂场效应晶体管的逻辑电路结构，包括与门、或门、与非门和或非门，进一步探索了ReS₂场效应晶体管在逻辑电路中的应用前景。展望未来，随着对硒牺牲层方法的进一步优化和ReS₂材料性能的持续提升，ReS₂场效应晶体管在低功耗、高效能的电子器件中具有巨大的应用潜力，尤其是在高性能逻辑电路和集成电路中的发展前景广阔。

--复旦大学光电研究院

来源：Future远见