《Nature Electronics》：剑桥大学突破二维器件技术瓶颈

二维过渡金属二硫化物（TMDs）是指具有二维层状结构的过渡金属二硫化物，如二硒化钨（WSe₂）和二硫化钼（MoS₂），它们在电子、光电及光子学领域展现出优异的性能。TMDs在材料科学中被赋予了重要的地位，尤其是在电子器件中的应用，如场效应晶体管（FETs）、光电探测器等方面。尽管二维TMDs展现出巨大的应用潜力，但由于其高缺陷密度和界面问题，成为了研究中的难点。

高缺陷密度是二维TMDs研究的核心问题之一。由于这些材料中充满了点缺陷，这些缺陷显著影响了器件的性能。此外，这些缺陷还导致了低迁移率和高变异性，使得器件性能难以稳定和提高。此外，二维TMDs的高缺陷密度也使得掺杂过程变得复杂，尤其是p型掺杂，这对高性能FETs的制造构成了挑战。对于TMDs而言，传统的掺杂方法和退化掺杂策略无法直接应用，因此必须寻找新的掺杂技术。

另外，高介电常数（high-k）介质的开发也是一个关键问题。为了提高二维TMDs电子设备的性能，必须找到既能与二维材料兼容，又不会对其通道特性产生负面影响的高介电常数介质。此外，清洁的范德瓦耳斯（vdW）界面的实现也是提高器件性能的关键因素。这要求在金属/半导体和半导体/介质之间建立良好的界面，从而减少界面态和不意图掺杂的影响。

为了解决这些问题，剑桥大学王琰以一作兼通讯、Manish Chhowalla教授团队在“Nature Electronics”期刊上发表了题为“Critical challenges in the development of electronics based on two-dimensional transition metal dichalcogenides”的最新论文。本文指出，研究人员正在积极探索高质量二维TMDs材料的合成方法，以降低缺陷浓度，并优化金属、电介质和二维半导体之间的界面。近期的研究着重于提高材料的晶圆级合成质量，以及开发与工业兼容的高介电常数介质，从而推动TMDs电子设备的实际应用。通过这些研究，期望能够克服现有的技术挑战，实现高性能、稳定和可扩展的二维TMDs电子器件。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41928-024-01210-3

本文亮点在于开发了基于二维（2D）过渡金属二硫化物（TMDs）半导体的高性能电子设备，从原理验证演示进展到更可重复的集成设备。 实验通过优化材料质量以及金属接触、电介质和二维半导体之间的界面，发现以下关键挑战和解决方案：

• 掺杂问题：高缺陷密度导致掺杂困难，影响了器件性能的稳定性。

• p型接触：实现高性能p型接触仍面临挑战，需要更有效的材料和工艺来优化接触性能。

• 高介电常数介质：需要与CMOS兼容的高介电常数介质，这些介质不会对二维TMD通道产生负面影响。

图 1| 二维 TMD 的缺陷。

图 2| 二维 TMD 的电触点。

图 3| 二维 TMD 的氧化电介质。

本文对二维过渡金属二硫化物（TMDs）电子设备发展的关键挑战进行深入分析，并提出了有效的应对策略。首先，本文强调了材料质量和界面优化对提高设备性能的重要性。随着TMDs技术从原理验证到实际应用的转变，设备性能的提升不再仅仅依赖于单一的技术突破，而是要求在材料合成和器件集成方面进行全面优化。特别是，必须解决掺杂、p型接触和高介电常数介质等关键问题，以应对高缺陷密度对设备性能的负面影响。

其次，本文指出，高缺陷密度是二维TMDs中一个重要的挑战。缺陷不仅影响了材料的基本性能，还导致了器件性能的不稳定。为了解决这一问题，建议研究界应重点关注高质量低缺陷浓度材料的生长，并探索新的合成方法，以降低缺陷对设备性能的影响。这一策略有助于提升TMDs材料的整体质量，从而推动电子设备性能的进一步提升。

最后，本文建议在选择适用于TMDs的高介电常数介质时，需要考虑其与二维材料的兼容性。这不仅关系到器件的性能，还影响到其在工业中的实际应用。通过找到合适的介质，可以有效提高器件的稳定性和可重复性，从而推动TMDs电子技术向更广泛的市场应用发展。

本文来自“低维材料前沿”。