使用二維材料二硫化鉿HfS2的MOS晶體管

東京工業大學、日本理化學研究所（理研）以及岡山大學于2016年4月25日宣布，開發出了使用新型二維材料——二硫化鉿（HfS2）的MOS晶體管。并以確認這種晶體管具備良好的飽和特性和電流控制特性，開關比達到104，是良好的電子元器件材料。

MOS晶體管作為LSI的基礎元件，縮小元件尺寸對于提高性能來說非常重要，近年來，MOS晶體管的尺寸已經縮小到了通道長度不到10nm的程度。過去的半導體材料表面存在原子大小的凹凸，在制成極薄的薄膜后，電流傳輸能力驟降，不可避免地會導致驅動能力降低。而二維材料具有原子級的平整度和厚度（不到1nm），在極薄的薄膜狀態下也有望實現高遷移率。

HfS2屬于過渡金屬二硫屬化物的二維晶群，通過理論計算預測，其單原子層（厚度約為0.6nm）的電子遷移率為1800cm2/Vs，帶隙為1.2eV。這些數值超過了代表性半導體材料——硅的物理性質。最有名的二維材料石墨烯的遷移率極高，預計可達10萬cm2/Vs，但因為沒有帶隙，作為LSI元件使用時面臨削減耗電量的課題。

在實驗中，研究人員將通過機械剝離法制成的厚度為幾個原子層的HfS2薄片轉印到了基板上（方法視頻在低維材料在線上可見）。使用原子力顯微鏡觀測到的薄片厚度約為2～10個原子層。在薄片上形成金屬電極，制成了以背面的半導體基板為柵電極的MOS晶體管結構。制作出的元件觀測到了良好的開關比，而且在使用電解質作為柵電極的電雙層晶體管結構中，驅動電流提高到了在背柵上工作時的約1000倍以上。

據巨納旗下低維材料在線的技術工程師介紹，二硒化鉿晶體HfSe2(Hafnium Selenide)，晶體結構是六邊形的，尺寸可以做到8mm，純度達到99.995%以上。今后，研究人員將通過對HfS2表面進行適當的保護，同時改善與電極的接觸等手段，使用固體柵極絕緣膜達到與電解質電極相當的性能，制造出超低功耗器件。另外，HfS2在與其他二維材料進行異種材料接合時，可能會表現出明顯的量子效應，其應用范圍有望得到拓展，擴大到二維通道晶體管等。此次研究成果已刊登在3月1日發行的《ScientificReports》雜志上。轉自低維材料在線：http://www.91cailiao.cn/index.php/news/52.html