基于MoS2高密度和高性能的大规模柔性集成电路的制造挑战

原子薄二硫化钼（MoS2）具有优异的机械、光学和电子性能，是一种很有前途的集成柔性电子器件半导体材料。然而，基于MoS2高密度和高性能的大规模柔性集成电路的制造仍然是一个挑战。这篇文章实现了使用四英寸晶圆级MoS2单层在柔性衬底上制造透明MoS2基晶体管和逻辑电路。使用了改进的化学气相沉积工艺来生长具有大晶粒尺寸的晶片级单层，并使用金/钛/金电极，接触电阻低至2.9 kΩ/μm。场效应晶体管具有高器件密度（每cm2 1518个晶体管）和高成品率（97%），并且具有高开关比（1010）和高电流密度（约35 μA/μm），迁移率（~55 cm2V−1s−1）和灵活性。我们还使用这种方法构建了多种的集成逻辑电路：反相器、NOR门、NAND门、AND门、静态随机存取存储器和五阶环形振荡器。

图1 柔性基MoS2集成电路，bc为材料生长，d为HRTEM图

从2寸到4寸工艺改进：通过扩大生长室并添加更多硫和氧化钼的蒸发池来重新设计我们的化学气相沉积（CVD）系统，每个蒸发池中的载气独立流动，以实现蒸发控制和稳定；蓝宝石衬底被加载到我们的生长室中，晶圆表面直接面向蒸发池，以保证前体向4英寸蓝宝石衬底的稳定质量通量运输。该工艺生长的MoS2样品具有更大的晶粒尺寸平均约为20 μm。柔性衬底PET上的MoS2样品由蓝宝石衬底上转移而来。

图2 MoS2晶体管性能，主要包括接触优化，迁移率改善

器件的源漏电极接触金属为Au（3 nm）/Ti（3 nm）/Au（30 nm），相对于Ti/Au电极，接触性能有了很大的改善。文章补充材料中给出的解释是3 nm的插层金属Au一方面保证了电极和MoS2接触界面出MoS2薄膜的洁净度和无损，另外也起到了n型掺杂的作用。

图3 MoS2晶体管柔性特性测试

图4 各种逻辑电路显微镜照片集测试结果

审核编辑：彭静