二维材料范德华异质结构实现高性能模拟信号调制

以石墨烯、过渡金属硫族化合物为代表的二维层状材料有望成为后摩尔时代重要的基础电子材料。由于石墨烯本征的零带隙特征,其场效应晶体管面临着开关比过低的问题。在众多可能的解决方案中,基于石墨烯和二维半导体材料组成的范德华异质结结构引起了广泛的研究兴趣。这种结构表现出性能优异的p型或n型场效应特性,可被利用来实现逻辑运算功能,包括基本的非、与非、或非等门级逻辑运算。然而,二维材料范德华异质结构在模拟电路方面的应用还有待探索。

目前,南京大学缪峰教授课题组利用一种新型的石墨烯/碲化钼范德华异质结构,成功实现了高性能的模拟信号调制。异质结结构中的2H相碲化钼(2H-MoTe2)是一种带隙约为1 eV的半导体材料,在空气中具有良好的稳定性。之前的理论工作预言该材料费米面钉扎位置接近带隙中间,因此基于该材料的场效应器件有可能展现出双极性场效应特性。缪峰教授课题组利用精准的二维材料转移与器件制备平台,制备了高质量的石墨烯/碲化钼范德华异质结垂直场效应晶体管,并观察到理想的高开关比类石墨烯“V”形双极性场效应特性。结合异质结独特能带结构和热激发模型分析,发现器件特性主要来自对源漏接触端有效势垒高度随栅极电压变化的有效调控。工作还发现这种独特的高开关比类石墨烯双极性特性可用来实现高质量的模拟信号调制,利用该器件实现了输出相位反相和输出频率二倍频两个基本的模拟信号调制功能。该工作展示了二维材料范德华异质结构器件在模拟信号调制元件和相关电路优化方面的应用潜力。

这一成果近期发表在Advanced Electronic Materials(DOI:10.1002/aelm.201870015)上,且被选为内封面文章。文章的第一作者是南京大学博士研究生潘晨,通讯作者是缪峰教授和梁世军副研究员。该工作是与北京大学黄茹院士课题组和南京大学王振林教授课题组合作完成。

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