【儀表網 研發快訊】隨著現代社會對計算能力需求的持續攀升，傳統的硅基集成電路正面臨前所未有的挑戰。短溝道效應、嚴重發熱以及高昂的處理成本等問題，使得當前最先進的硅基集成電路逐漸陷入發展瓶頸，難以滿足日益增長的高性能計算需求。在此背景下，二維半導體憑借其獨特的物理特性，如原子級厚度、極少數懸空鍵、高載流子遷移率以及強大的柵極控制能力，被廣泛認為是延續摩爾定律的理想溝道材料，有望為半導體技術的進一步發展提供新的解決方案。
然而，盡管二維半導體展現出巨大的應用潛力，目前的研究進展仍面臨諸多挑戰。大多數已被研究的二維半導體材料，尤其是過渡金屬二硫化物(TMDCs)，大多表現出N型或雙極性導電特性。這一現象的主要原因是界面電荷雜質和材料本身結構缺陷所導致的強電子摻雜效應。此前，為實現P型導電行為，研究者們主要依賴串聯金屬接觸、電門控以及化學摻雜等方法。但這些方法受限于缺乏高性能的本征P型半導體材料，導致肖特基勢壘和接觸電阻顯著增加。此外，低空穴傳輸效率問題也較為突出，其根源在于價帶邊緣軌道的強雜化作用引發了電子局域化現象。這些因素共同作用，嚴重阻礙了P型半導體在高速、低功耗互補邏輯電路以及范德華異質結構器件中的實際應用。鑒于此，探索并直接合成高性能本征P型二維半導體已成為當前半導體研究領域的迫切需求。近年來，這一方向逐漸成為兼具戰略性和前沿性的研究熱點，吸引了全球科研人員的高度關注和深入探索。
有鑒于此，近日，南京理工大學曾海波、陳翔教授團隊報道了一種新型三元P型層狀半導體In2Ge2Te6，并通過創新性的雙步CVT法成功制備出高質量的In2Ge2Te6單晶。實驗結果顯示，該材料具有0.81 eV的直接帶隙，以及0.27的低空穴有效質量。進一步利用機械剝離法從體單晶中獲得了厚度低至0.4 nm(單層)的二維In2Ge2Te6納米片。理論計算預測，二維六方相In2Ge2Te6有約0.20的低空穴有效質量和高達379 cm2 V-1 s-1(單層)及2271 cm2 V-1 s-1(雙層)的高空穴遷移率。基于這些優異特性，研究團隊采用二維In2Ge2Te6作為溝道材料，成功制備出厚度低至幾納米的底柵場效應晶體管(FET)器件。實驗表明，器件性能與厚度密切相關，當厚度為13 nm時，實現了最高的室溫空穴遷移率43 cm2 V-1 s-1和105的開關電流比。本文的工作不僅為高性能P型二維半導體材料的研究提供了新的方向，也為推動半導體技術的進一步發展奠定了堅實基礎。
圖文導讀
圖1.塊體In2Ge2Te6單晶的晶體結構和電子結構
圖2.二維In2Ge2Te6納米片的形貌和原子結構
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