焦丽颖课题组和微电子所任天令课题组合作提出二维电子器件集成新策略

huangshan

清华大学化学系焦丽颖课题组和微电子所任天令课题组在《自然·电子学》（Nature Electronics）上在线发表了题为“二维电子元件一体化制备及集成”（Simultaneous synthesis and integration of two-dimensional electronic components）的研究论文，首次提出了二维晶体材料合成与器件集成一体化的器件制备策略。不同于传统加工方式中分步实现沟道、接触和互连的制备，这一新策略是通过二维金属/半导体结构的图案化合成，实现了一步化学制备各类电子元件并将其集成为实用电路，为二维电子器件的无损加工与集成提供了新的思路和方法。

传统加工方式和直接集成策略的示意图

随着大规模IC技术的持续发展,硅器件的尺寸逐渐逼近物理极限。因此，探索新器件技术、寻找硅材料的替代者进而延续和拓展摩尔定律成为科学界和工业界共同关注的热点问题。二维晶体材料具有超薄平面结构与丰富的材料特性，有望成为未来集成电路的核心材料。但是，基于二维晶体材料的电子器件也面临诸多问题。首先，二维晶体材料的超薄特性使其对器件加工过程非常敏感，紫外或电子束曝光过程中的高能量辐射会对材料造成损伤。其次，二维半导体与块体金属之间存在较大的势垒，影响载流子的注入。另外，从单个器件到实用化电路仍有存在很难逾越的鸿沟——器件集成，然而目前还没有针对于二维晶体电子器件集成的理想方法。

针对以上问题，焦丽颖课题组和任天令课题组提出了二维晶体材料合成与器件集成一体化的制备新策略。基于二维1T’/2H MoTe2异相结构的图案化合成，实现了通过一步化学反应制备全二维器件。沟道与电极间以共价键相连，能够降低势垒、有效注入电子，避免后加工过程对材料的损伤及界面污染问题。并利用此策略制备了一系列高性能的原型器件，如场效应晶体管、反相器、实现频率调制的射频晶体管阵列、超短场效应晶体管、互连的多层器件和柔性器件等，展现了材料合成与器件集成一体化新策略的重要应用前景。《自然·电子学》以“One-step fabrication of 2D circuits” 为题对该工作进行了报道。

清华大学化学系博士生张琪和微电子所博士生王雪峰是文章的共同第一作者，化学系焦丽颖副教授和微电子所任天令教授是通讯作者。中科院物理研究所谷林课题组及清华大学材料学院钟虓龑课题组在原子分辨成像方面提供了帮助。

近年来，焦丽颖副教授致力于低维半导体材料的可控合成、结构表征和物性测量，任天令教授致力于新型二维电子器件的研究，在各自研究领域均取得了多项创新成果。此次研究是两个团队密切合作的成果，该研究得到了国家自然基金项目、科技部项目及清华大学自主科研项目的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0233-2

焦丽颖，清华大学化学系副教授。获2013年度“求是杰出青年学者奖”。

教育背景

1999-2003 山东大学，化学与化工学院，学士 [1]

2003-2008 北京大学，化学与分子工程学院，博士

工作履历

2008-2012 美国斯坦福大学化学系，博士后

2012-现在 清华大学化学系，副教授

研究领域

1、低维半导体材料的可控合成、结构表征、物性测量及其在纳电子学领域的应用研究

2、新型能源材料的制备及性能优化

奖励荣誉

入选第八批“##计划（青年##计划项目）”

获2013年度“求是杰出青年学者奖”

任天令，1971年9月出生于山东省济南市。1997年博士毕业于清华大学现代应用物理系。现为清华大学微电子所教授，博士生导师，微纳器件与系统研究室主任。

研究方向

1．新型微机电器件与系统（MEMS）：（1）硅微声学器件与系统；（2）用于射频

（RF）通信的薄膜滤波器、微型天线、电感等；（3）集成微传感器（压力、加速度等）；（4）基于硅基铁电/压电材料的微传感器与执行器；（5）面向生化、医学应用的新型微机电器件与系统。

2．新型半导体存储技术：（1）铁电不挥发存储器FeRAM；（2）铁电场效应器件FeFET；（3）高介电常数(high K)材料在半导体存储技术中的应用；（4）磁随机存储器MRAM。

3．纳电子与自旋电子学：（1）基于磁阻效应（GMR、TMR等）或电子自旋的新型器件；（2）新型纳米结构与器件。

4．微纳电子技术中的新材料：（1）铁电/压电薄膜；（2）磁性薄膜；（3）其它应用于微纳电子器件的新材料。