金刚石作为超宽禁带半导体材料的代表，逐渐成为大家关注的热点。尽管在材料制备、器件研制与性能方面取得了一定进展，但其半导体掺杂技术至今没有很好解决。氢终端金刚石由于具有典型的二维空穴气而被广泛应用于微波功率器件的研究，但其存在稳定性不佳、界面态浓度较高等问题。相比而言，近年来出现的硅终端(C-Si)金刚石具有比氢终端(C-H)金刚石更低的界面态密度、更高的阈值电压、载流子密度和稳定性等优点，有望解决氢终端金刚石半导体器件的问题。硅终端金刚石电子器件表现出高阈值电压的增强型特性，其机制尚不明确。本文从氢终端金刚石的结构、导电机理出发，分析限制其发展的主要问题，并综述了硅终端金刚石的导电机理、制备方法以及相应的界面结构，初步分析了硅终端MOSFETs的性能水平，最后阐述了目前硅终端金刚石发展存在的问题并展望了其发展前景。
硅终端金刚石 金刚石半导体 场效应管器件 silicon-terminated diamond diamond semiconductor field-effect transistor devices
1 联合微电子中心有限责任公司, 重庆 400030
2 模拟集成电路国家级重点实验室， 重庆 400060
以MoS2为代表的二维半导体材料是下一代延续摩尔定律的潜在电子学新材料之一。然而，二维特性使得MoS2中电子的输运行为对环境条件高度敏感。采用范德华绝缘体材料进行封装包覆，是目前消除二维半导体器件环境敏感性的有效方案之一。文章采用化学气相传输法制备新型范德华绝缘体材料CrOCl，并以少层CrOCl为介电层和封装材料，设计并制备了基于MoS2的场效应晶体管。以CrOCl为底栅介电层及封装材料的MoS2晶体管的室温场效应迁移率约为60 cm2·V-1·s-1，2 K下进一步增大至100 cm2·V-1·s-1。此外，相比于无封装MoS2晶体管高达20 V的回滞窗口，CrOCl的包覆有效消除了晶体管转移特性的回滞现象，证明其在二维材料电子学中的应用潜力。
范德华绝缘体CrOCl MoS2场效应晶体管 介电层 封装材料 回滞现象 van der Waals insulator CrOCl MoS2 field effect transistor dielectric layer encapsulation material hysteresis
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 发光及应用国家重点实验室, 长春 130033
2 中国科学院大学, 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
3 吉林财经大学管理科学与信息工程学院, 长春 130117
二维(2D)石墨烯具有原子层厚度, 在电子器件中展示出突破摩尔定律限制的巨大潜力。目前, 化学气相沉积(CVD)是一种广泛应用于石墨烯生长的方法, 满足低成本、大面积生产和易于控制层数的需求。然而, 由于催化金属(例如Cu)衬底一般为多晶特性, 导致CVD法生长的石墨烯晶体质量相对较差。为此, 通过高温退火工艺制备了Cu (111)单晶衬底, 使石墨烯的初始成核过程得到了很好的控制, 从而实现了厘米尺寸的高质量单晶石墨烯的制备。根据二者的晶格匹配关系, Cu (111)衬底为石墨烯生长提供了唯一的成核取向, 相邻石墨烯成核岛的边界能够缝合到一起。单晶石墨烯具有高电导率, 相较于原始多晶Cu上生长的石墨烯(1 415.7 Ω·sq-1), 其平均薄层电阻低至607.5 Ω·sq-1。高温退火能够清洁铜箔, 从而获得表面粗糙度较低的洁净石墨烯。将石墨烯用于场效应晶体管(FET), 器件的最大开关比为145.5, 载流子迁移率为2.31×103 cm2·V-1·s-1。基于以上结果, 相信本工作中的单晶石墨烯还满足其他高性能电子器件的制备。
石墨烯 高温退火 化学气相沉积 场效应晶体管 Cu (111) Cu (111) graphene high-temperature annealing chemical vapor deposition field-effect transistor
中国计量大学 计量测试工程学院, 浙江 杭州 310018
为满足低频压电水听器工作需求, 针对带前置放大器压电水听器自噪声优化问题, 理论推导二端口网络等效噪声模型, 利用LTSPIC建立SPICE模型对关键器件进行噪声仿真, 并基于结型场效应管设计制作低噪声放大电路。对设计的放大器及带前放水听器自噪声测试表明,放大器等效输入噪声为8.48 nV/Hz@1 kHz, 1/f噪声拐点约为350 Hz, 优于现有集成运放式放大器; 带前放水听器噪声谱级为33.577 dB@1 kHz, 其噪声谱级低于零级海况噪声谱。
水听器 前置放大器 结型场效应管 噪声模型 hydrophone pre-amplifier junction field effect transistor noise model
1 南昌大学物理与材料学院，江西 南昌 330031
2 南昌大学空间科学与技术研究院，江西 南昌 330031
太赫兹在高速通信、生物医学、无损检测、空间探测和安全防护等众多领域有广阔的应用前景，然而高灵敏室温太赫兹探测器是其亟待解决的难题之一。新兴拓扑材料特殊的光电子学性质为太赫兹探测开辟了新路径。基于第一性原理计算第II类狄拉克半金属NiTe2的能带结构及拓扑表面态，采用机械剥离法得到NiTe2纳米片，通过集成电路工艺制备金属-NiTe2-金属场效应晶体管，并测量其太赫兹光电流响应。结果表明，室温下NiTe2响应度可达2.44 A/W，噪声等效功率约为14.96 pW/Hz1/2，在零偏压自驱动下，响应度仍有2.25 A/W，噪声等效功率下降到9.55 pW/Hz1/2，可与同类探测器媲美，且具有较大的线性度范围，在空气中也具有良好的稳定性。该器件良好的性能对进一步促进室温太赫兹探测器实际应用及集成具有重要意义。
太赫兹 拓扑半金属 探测器 自驱动 场效应晶体管 激光与光电子学进展
2023, 60(18): 1811023
1 西安交通大学, 电子物理于器件教育部重点实验室, 西安 710049
2 西安交通大学电子与信息学部, 宽禁带半导体与量子器件研究所, 西安 710049
相较于传统的硅材料, 宽禁带半导体材料更适合制作高压、高频、高功率的半导体器件, 被认为是后摩尔时代材料创新的关键角色。单晶金刚石拥有大禁带宽度、高热导率、高迁移率等优异特性, 更是下一代大功率、高频电子器件的理想半导体材料。然而由于可获得单晶金刚石的尺寸较小, 且价格昂贵, 极大地阻碍了金刚石的发展。历经长时间的探索, 异质外延生长技术成为了获得高质量、大面积单晶金刚石的有效手段。本综述从金刚石异质外延的衬底选择、生长机理以及质量改善等方面对近些年来异质外延单晶金刚石的发展进行详细介绍。进一步地, 对基于异质外延单晶金刚石的场效应晶体管和二极管的研究进行了总结, 说明了异质外延单晶金刚石在电子器件领域的巨大潜力。最后总结了异质外延单晶金刚石仍需面对的挑战, 展望了其在未来的应用与发展前景。
单晶金刚石 异质外延生长 宽禁带半导体 半导体器件 场效应晶体管 二极管 single-crystal diamond heteroepitaxial growth wide-band gap semiconductor semiconductor device field-effect transistor diode
Author Affiliations
Abstract
1 Jiangxi Key Laboratory of Organic Chemistry, Jiangxi Science and Technology Normal University, Nanchang 330013, China
2 State Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymers, Department of Macromolecular Science, Fudan University, Shanghai 200433, China
Effective detection of methamphetamine (Met) requires a fast, sensitive, and cheap testing assay. However, commercially available methods require expensive instruments and highly trained operators, which are time-consuming and labor-intensive. Herein, an antibody-modified graphene transistor assay is developed for sensitive and minute-level detection of Met in complex environments. The anti-Met probe captured charged targets within 120 s, leading to a p-doping effect near the graphene channel. The limit of detection reaches 50 aM (5.0 × 10?17 M) Met in solution. The graphene transistor would be a valuable tool for Met detection effective prevention of drug abuse.Effective detection of methamphetamine (Met) requires a fast, sensitive, and cheap testing assay. However, commercially available methods require expensive instruments and highly trained operators, which are time-consuming and labor-intensive. Herein, an antibody-modified graphene transistor assay is developed for sensitive and minute-level detection of Met in complex environments. The anti-Met probe captured charged targets within 120 s, leading to a p-doping effect near the graphene channel. The limit of detection reaches 50 aM (5.0 × 10?17 M) Met in solution. The graphene transistor would be a valuable tool for Met detection effective prevention of drug abuse.
graphene field effect transistor biosensor methamphetamine antibody immobilization Journal of Semiconductors
2023, 44(2): 022001
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
为克服传统制备半导体场效应晶体管（FET）过程中存在的材料损伤、对准精度受限、电极转移难度大和成本高昂等缺陷，提出了一种基于柔性掩膜技术的半导体FET制备方法。利用紫外光刻技术制作柔性掩膜板，直接捞取并加热蒸干固定掩膜板，采用离子束溅射法沉积金属，并通过将半导体CdSe纳米带转移到电极上，获得了N沟道耗尽型FET，证实了器件的功能性和此方法的可行性。此技术成本低廉，且材料损伤小，为制备集成半导体器件提供了一种新的思路。
半导体 场效应晶体管 掩膜板 semiconductor field effect transistor stencil
1 国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 新型纳米光电信息材料与器件湖南省重点实验室，湖南 长沙 410073
石墨烯是典型的二维原子晶体材料，具有极高的热导率，其以独特的电子-声子相互作用机制以及在微纳尺度热管理领域的应用潜力而备受瞩目。国内外针对石墨烯在不同温度下的热导率进行了大量的理论和实验研究，但如何准确测量电偏置作用下悬空石墨烯器件的热导率仍需进一步深入研究。本课题组成功制备了高质量的悬空石墨烯场效应晶体管，并基于拉曼光谱法研究了少层悬空石墨烯在不同电压下的热导率变化规律。实验结果显示：当偏置电压从0 V增加至1.5 V时，悬空石墨烯的最大温度变化范围为300~779 K，同时其热导率也发生了相应变化，介于2390~3000 W/（m·K）之间。本实验结果为研究悬空石墨烯纳米电子器件在实际应用场景中的热传导特性提供了实验数据参考。
光学器件 悬空石墨烯 场效应晶体管 热导率 拉曼光谱
