二維層狀材料原子級的厚度使其擁有獨特的物理和化學性質，其中二維半導體材料更具有材料多樣，能帶結構豐富且可調等特點，是有希望繼續延伸摩爾定律的新型材料之一；此外相較於傳統的半導體光電器件，二維材料能夠獲得較低的暗電流及噪聲，而且能夠實現較強的光物相互作用，因此也有望成為下一代光電探測材料。所以，二維半導體材料作為極具競爭力的下一代電子與光電子材料，受到越來越多的關注。
復旦大學微電子學院的包文中研究員課題組，與合作者共同努力，在國家「高層次人才引進計劃"，科技部重點研發計劃（納米科學青年項目），國家自然科學基金，上海市科委科技創新等項目的資助下，在二維材料電子及光電器件領域取得系列最新的進展。相應的成果發表於國際知名期刊，這些研究成果立足於二維半導體的國際研究前沿，以實際的器件應用為導向，同時為這類器件的發展與優化提供了新策略和新思想，並拓寬了這類器件的應用範圍。
採用埋柵工藝的具有對稱結構的 MoS2 雙柵電晶體[1]
雙柵結構因為其更強的柵控能力和靈活的操作方式，已經應用在薄膜電晶體和 SOI 器件中。在這項工作中，課題組製備了一種對稱結構的 MoS2 雙柵電晶體，利用雙柵的可以彌補多層 MoS2 在開關特性方面的缺點。該結構可以實現較大的電流密度，其中單層 MoS2 高達 130 mA/mm, 較小的亞閾值擺幅，5 nm 的 MoS2 亞閾值擺幅約為 100 mV/dec, 較高的電流開關比，10 nm 的 MoS2 電流開關比依然大於 107。
▲圖1 基於 MoS2 對稱雙柵電晶體的三維結構圖、顯微鏡照片和電學測試曲線。
基於對稱 MoS2 雙柵電晶體的高性能反相器和存儲器[1]
基於對稱雙柵結構的 MoS2 電晶體，課題組還設計製備了高性能反相器和動態存儲單元。對於邏輯反相器單元，由於雙柵結構不僅具有超強的溝道控制能力，而且提供了一個額外的自由度，通過調節背柵或者頂柵的電壓來調控器件的閾值電壓和亞閾值擺幅，因此可以實現調控反相器工作在不同的模式（圖2）。
▲圖2 基於 MoS2 對稱雙柵電晶體反相器顯微鏡照片和傳輸特性曲線
這樣的雙柵結構還可以應用在動態隨機存儲器件（DRAM）中，傳統矽基的 1T1C 動態存儲器因為關態電流較大，所以電荷保持時間較短。而雙柵 MoS2 電晶體的極低漏電特性，可以讓動態存儲單元電荷保持時間長達 1260 ms (圖3)。
此外，課題組也製備了基於化學氣相沉積法得到的大面積 MoS2 的雙柵電晶體陣列，得到了同樣的結論，顯示了雙柵結構在未來大面積數字和低功耗電子器件方面的巨大應用前景。
▲圖3 基於 MoS2 雙柵電晶體的 1T1C
動態存儲單元的三維結構示意圖、顯微鏡照片及其電荷保持時間特性。
以上三項成果以 「High-Performance Logic and Memory Devices Based>2 Architecture」 為題發表在美國化學學會《應用電子材料》（ACS Applied Electronic Materials）上。課題組博士生廖付友，王印，碩士生郭仲勛和復旦大學解玉鳳教授為共同一作，包文中和香港理工大學柴揚教授為共同通訊作者。
通過多柵結構實現了 MoS2 電晶體的接觸改善[2]
二維半導體材料與常規的矽基器件工藝相比，如何實現良好源漏接觸一直是一個長期困擾研究者的難點。這主要是因為二維半導體材料只有原子級厚度，很難進行合金化或者離子注入等常規摻雜工藝來降低接觸勢壘，而且較大的表面陷阱態也容易造成費米釘扎效應。所以，雖然近年來大家研究了各種降低二維器件接觸電阻的方案，但是效果穩定，工藝簡單，可以規模化的方法仍在不斷的探索中。
針對此問題，包文中課題組和復旦大學萬景研究員課題組合作，提出了一種通過多柵結構改善二維電晶體接觸的方案。此結構由溝道部分的雙柵和源漏區域底部的埋柵組成，三個柵可以相互獨立施加電壓。通過埋柵的靜電感應摻雜可以有效的調節肖特基勢壘高度和溝道中未覆蓋區域的電阻，實現較強的開態電流；並且可以排除接觸的影響，獨立的研究溝道的電學特性。
相關研究成果以「MoS2 dual-gate transistors with electrostatically doped contacts」為題發表在 SCI 期刊《納米研究》（Nano Research），課題組博士生廖付友，碩士生盛耀晨為共同一作。
▲圖4 基於 MoS2
多柵電晶體的結構示意圖和器件的轉移特性曲線
通過特殊頂柵結構實現高性能二維隧穿電晶體[3]
二維層狀材料因為其較弱的層間范德瓦爾斯力以及表面沒有懸掛鍵，因此可以很容易的利用各種不同的二維材料組成異質結，相比於傳統的異質結中存在晶格適配和複雜的生長工藝，二維范德瓦爾斯異質結在未來節能電子方面有重要前景。包文中課題組和復旦大學周鵬教授合作，設計了一種基於二維材料范德瓦爾斯異質結（WSe2/MoS2）的特殊頂柵結構器件，通過對 WSe2 溝道採用一種自對準的金屬屏蔽層，調控頂柵電壓就可以有效的分離兩種二維材料的費米麵，並在金屬屏蔽層的邊緣形成陡峭pn結。當頂柵電壓變化時，器件能夠工作在准江崎二極體（quasi-Esaki diode）和單極齊納二極體（unipolar-Zener diode）模式。在帶間隧穿區域，柵極最大耦合效率高達 90 %，亞閾值擺幅低於 60 mV/dec。通過和傳統的異質結對比，進一步驗證了這種器件結構的優越性。該工作證明了新型柵結構器件的設計靈活性和多樣性，以及其在未來高性能，低功耗電子和光電器件領域的巨大潛力。
相關研究成果以「Independent Band Modulation in 2D van der Waals Heterostructures via a Novel Device Architecture」為題發表在《先進科學》（Advanced Science）上，論文第一作者為課題組碩士生郭仲勛。
▲圖5 MoS2/WSe2
異質結器件的三維結構示意圖和顯微鏡照片，器件的電學特性曲線和器件的工作時的能帶結構圖
近年來，二維硫族化合物以其獨特的寬頻響應譜、可調帶隙、柔性以及可晶圓級生長和加工等優點，在光探測領域得到了迅速的發展和廣泛的研究。但是目前所報導的大多數 MoS2 光電探測器都是基於電荷陷阱機制產生的光誘導柵控場效應（Photogating effect），這樣的光電電晶體響應度偏低，響應速度比較慢。針對這一問題，包文中課題組和復旦大學萬景課題組合作，提出了一種基於介面耦合效應(interface coupling effect)的 MoS2 雙柵光電探測器，可以在光電響度R和光響應速度之間實現較好的調控。
在使用高k介電材料集成的 MoS2 雙柵光電電晶體中，為了在溝道背面形成電子通道，背柵施加了正柵壓。同時，頂柵施加了負偏壓。當器件處於光照時，光生空穴就會在頂柵的正下方聚集。這些累積的光生空穴可以有效地屏蔽頂柵產生的電場，使源漏電流比暗態條件下的電流大。這種介面耦合效應(ICE)使器件具有優異的光電特性。結果表明，在光照密度為 53 mW/cm2 的情況下，該 MoS2 雙柵光電電晶體具有超高的 R 值(約 105 A/W)和光探測率(D*)(約 1014 Jones)。此外，頂柵還可以有效地調整響應率 R 和響應時間。這使得雙柵光電電晶體成為下一代光電器件的一個極具潛力的候選方案之一。
相關研究成果以 「A Dual-Gate MoS2 Photodetector Based>
▲圖6 MoS2 雙柵光電探測器三維結構示意圖和顯微鏡照片，器件介面耦合特性和器件的光電探測性能。
MoS2 與 SOI 結合的雙光柵光電探測[5]
傳統光電探測器對光強敏感，輸出電流或電壓受光強調控。包文中課題組和萬景課題組合作，將新穎的器件機理與新型二維材料結合，研發出具有特殊功能的新型半導體光電探測器。該工作中，作者提出一種基於多個光電柵極的新型探測器結構。通過結合多光電柵極調控的新器件機理和新型二維材料的特殊光電吸收特性，成功實現了一種只對波長敏感的光電探測器。由於新型探測器獨特的波長敏感特性，在頻譜分析，波長校準，螢光檢測和火焰溫度探測等領域都具有巨大的應用潛力。
相關研究成果以 「MoS2/HfO2/Silicon-On-Insulator Dual-Photogating Transistor with Ambipolar Photoresponsivity for High-Resolution Light Wavelength Detection」 為題發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上，博士生鄧嘉男，碩士生宗凌逸為共同一作。
▲圖6
MoS2/HfO2/SOI
光電探測器三維結構示意圖、器件顯微鏡照片以及器件對波長和光強的響應特性
MoS2 作為柵極與三五族材料結合的雙色光探測器[6]
傳統的雙通道光電探測系統利用矽基 CCD 實現可見光波段的探測，同時利用 Ⅲ-V 族 P-I-N 二極體實現紅外波段的探測，這類雙波段探測系統越來越受到系統小型化的制約，利用單個器件實現寬波段可見與紅外探測是目前光電探測器件發展的重要方向之一。
包文中課題組與復旦大學陳宜方課題組合作，提出了一種新型的 MoS2/InAlAs/InGaAs 光電電晶體器件，其利用底部的 InAlAs/InGaAs 異質結實現紅外波段（1100-1800 nm）的探測，由於器件內部的放大增益，其光電響應率與探測率分別達到了 8×105 A/W 與 3×1012 Jones，性能可以同商用的紅外探測器件相比較。同時，利用 MoS2 作為器件柵極材料，通過不同的柵極電壓調控，此器件在可見光波段（400-700 nm）下可以實現從 6×105 A/W 到 -4×105 A/W 的可調正負光電響應，這為實現未來光互連集成電路提供了新的思路。
相關研究成果以「Integration of MoS2 with InAlAs/InGaAs Heterojunction for Dual Color Detection in both Visible and Near-Infrared Bands」為題發表在期刊《先進光學材料》（Advanced Optical Materials），博士生鄧嘉男，碩士生宗凌逸為共同一作。
▲圖7 MoS2/InAlAs/InGaAs 光電電晶體器件結構圖、器件工作能帶圖和器件光電性能曲線
課題組簡介
包文中現任復旦大學微電子學院研究員，博士生導師。2006 年本科畢業於南京大學物理系。2011 年博士畢業於美國加州大學河濱分校物理系，2011 年至 2015 年在馬里蘭大學作博士後研究。曾獲得 2015 年國際物理純粹與應用學會（IUPAP）青年科學家獎（C10），以及2017 年的求是基金會傑出青年學者。他在新型低維材料的物性、能帶調控、器件工藝和工程應用等領域有十餘年的研究經歷，已發表英文論文 100 多篇，總引用兩萬餘次，入選科睿唯安 2018 年全球高被引研究者。目前，包文中課題組建立了二維器件專用工藝實驗室，主要基於晶圓級二維材料進行器件工藝的研發和電路的設計和製造。
該系列工作論文發表情況
[1] F. Liao, Z. Guo, Y. Wang, Y. Xie, S. Zhang, Y. Sheng, H. Tang, Z. Xu, A. Riaud, P. Zhou, ACS Applied Electronic Materials 2019.
文章連結：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsaelm.9b00628
[2] F. Liao, Y. Sheng, Z. Guo, H. Tang, Y. Wang, L. Zong, X. Chen, A. Riaud, J. Zhu, Y. Xie, Nano Research, 2515-2519, 2019
文章連結：
https://link.springer.xilesou.top/article/10.1007/s12274-019-2478-5
[3] Z. Guo, Y. Chen, H. Zhang, J. Wang, W. Hu, S. Ding, D. W. Zhang, P. Zhou, W. Bao, Advanced Science 5 (9), 1800237, 2018
文章連結:
https://onlinelibrary.wiley.xilesou.top/doi/abs/10.1002/advs.201800237
[4] F. Liao, J. Deng, X. Chen, Y. Wang, X. Zhang, J. Liu, H. Zhu, L. Chen, Q. Sun, W. Hu, Small, 2019.
文章連結：
https://onlinelibrary.wiley.xilesou.top/doi/abs/10.1002/smll.201904369
[5] J. Deng, L. Zong, M. Zhu, F. Liao, Y. Xie, Z. Guo, J. Liu, B. Lu, J. Wang, W. Hu, Advanced Functional Materials, 1906242, 2019
文章連結：
https://onlinelibrary.wiley.xilesou.top/doi/abs/10.1002/adfm.201906242
[6] J. Deng, L. Zong, W. Bao, M. Zhu, F. Liao, Z. Guo, Y. Xie, B. Lu, J. Wan, J. Zhu, Advanced Optical Materials, 1901039, 2019
文章連結：
https://onlinelibrary.wiley.xilesou.top/doi/abs/10.1002/adom.201901039