二维半导体材料具有原子薄的厚度、免疫短沟道效应等特性，开发基于二维材料的高性能晶体管和集成电路是实现下一代高速、低功耗数字电子产品的关键之一。在大量的文献中使用许多不同的方法构造了基于二维半导体的晶体管，报道了二维半导体可以获得较高载流子迁移率或低接触电阻。但是载流子迁移率、接触电阻作为常用来评估二维半导体性能的参数都是经过复杂推导得到的，可能产生严重的误差，导致器件性能的评估模棱两可，有时甚至相互矛盾，从而引发了有关二维半导体究竟能达到怎样的极限性能、究竟能否取代硅基半导体的疑问。

针对这一问题，湖南大学段曦东教授团队开发了范德华外延生长中热应力可控产生晶界裂纹技术，制备了由VSe2作为接触触点的沟道长度小于100?nm的双层WSe2晶体管。该技术实现的原子级清洁接触界面及无损伤的WSe2沟道晶体结构为表征二维WSe2半导体本征性能提供了条件，最终在亚100 nm的二维WSe2半导体晶体管上普遍实现了大于1.00 mA/μm的通态电流密度，特别是在20 nm的双层WSe2晶体管上实现了高达1.72 mA/μm的通态电流密度、低于0.50 kΩ·μm的通态电阻及高的开关比。此通态电流密度超过了二维晶体管当前的关键目标值1.50 mA/μm，该成果突出了二维晶体管的潜力，并证明了二维半导体晶体管可以在与通道长度和驱动电压相当的情况下，提供与硅晶体管相比有竞争力的电流密度。该成果对该领域内长期存在的“二维半导体晶体管究竟能否获得比拟或者优于传统硅基半导体晶体管的性能”的疑问做出了肯定的回答，将吸引半导体、芯片领域的专家和产业界、投资界的注意，推动硅基半导体后的新一代二维半导体、芯片技术的发展。

图1. 具有VSe2 vdW触点接触的亚100 nm双层WSe2晶体管的形成及其电学性能测试。(a) 通过可控裂纹形成实现具有合成VSe2 vdW接触的亚100 nm沟道长度双层WSe2晶体管的工艺流程示意图。(b) WSe2上一对六边形VSe2晶畴的光学显微镜图像，具有明显的纳米间隙。(c，f) 沟道长度为76?nm和20?nm的双层WSe2晶体管的SEM图像。(d，g) 不同背栅电压下的输出特性。(e，h) 不同偏置电压下的转移曲线。

研究成果于2022年8月8日以"Bilayer tungsten diselenide transistors with on-state currents exceeding 1.5?milliamperes per micrometre"为题发表在《Nature Electronics》(Nature Electronics, 2022, 5, 497–504)，吴瑞霞、陶全洋为共同第一作者，段曦东教授为通讯作者。

来源：半导体学报公众号