OE1022 锁相放大器在 MoS₂/Si 纳米线双机制晶体管的应用

MoS₂/Si 纳米线双机制 NWFET 的设计与原理

传统二维材料转移常以 PMMA 等聚合物为支撑层（图1a），但其玻璃化转变温度较高（图1c），室温下较刚硬，当其跨越起伏明显的 SiNW 时，容易产生局部应力集中和悬空弯曲（图1b），导致单层 MoS₂ 弯曲、撕裂或穿孔。

研究团队改用低玻璃化转变温度 PPC 支撑层（图1a）。其玻璃化转变温度约 19 ℃（图1d），室温下柔软且高弹，可通过可逆形变分散应力（图1b）。相比之下，PMMA 更难适应复杂三维形貌。原子力显微镜（AFM）图像（图 1e）及 MoS₂ 转移至 SiO₂/Si 衬底后的高度分布直方图（图 1f）表明，PPC 可有效去除，并能较好保持 MoS₂ 表面形貌与化学结构。

图1. MoS₂ 在 SiNW 衬底上的共形转移。(a)传统 PMMA 与低 Tg PPC 辅助转移方法; (b)两种聚合物支撑层的应力调节机制; (c)、(d)PMMA 与 PPC 的 DSC 曲线; (e)AFM 图像; (f)转移后表面高度分布。

共形转移时，单层 MoS₂ 覆盖 SiNW 顶部，但因面外弯曲能力有限，在侧壁处不能完全贴合，从而在 MoS₂ 栅极与 SiNW 侧壁间自发形成连续空气间隙。截面 透射电子显微镜(TEM)显示 MoS₂ 能够完整跨越高纵横比 SiNW（图2b），扫描电子显微镜(SEM)展示了器件的实际结构形貌（图2c）；开尔文探针力显微镜(KPFM)进一步显示，SiNW 顶部 MoS₂/Si 直接接触区域电势较高，而侧壁空气间隙区域电势较低（图2d）。不同位置的 AFM 曲线具有较好一致性（图2e），表明 MoS₂ 薄膜保持连续完整，同时侧壁空气间隙较为均匀。该空气间隙介电常数接近 1，可作为低损耗栅介质调节栅极与沟道的静电耦合。

器件顶部 MoS₂/Si 直接异质结形成类似 JFET 的栅控机制（图2a i），侧壁 MoS₂/空气间隙/Si 则形成类似 MOSFET 的电容场效应调控（图2a ii）。MoS₂/Si 异质结表现出明显的整流 I–V 特性（图2f）。TCAD 模拟显示，无空气间隙时导通态空穴呈上下梯度分布（图2g）；引入空气间隙后，空穴明显向沟道中心收缩（图2h）；当 VG 升至 5 V 时，沟道空穴浓度降至最低，器件进入关断状态（图2i）。两种机制协同作用，从垂直和侧向共同调节 SiNW 内的载流子分布，增强三维栅控。

图2. 双机制NWFET 的结构表征与静电模拟。(a)器件结构; (b)截面 TEM; (c)SEM; (d)KPFM; (e)AFM; (f)MoS₂/Si 异质结 I–V 特性; (g)- (i)不同空气间隙和工作状态下的空穴浓度分布。

双机制的电学特性

研究团队比较了 500nm、90nm 和 70nm 三种 SiNW 宽度的器件电学性能（图 3b、c）。随着纳米线变窄，侧壁与顶部电场更易覆盖整个沟道，栅控能力明显增强（图 3a）。

70nm 器件在 VDS = −0.5 V、VGS 从 −2 V 扫至 +4 V 时，IDS 由约 22.5nA 降至约 0.1pA，开关比约 2.25×10⁵；最低亚阈值摆幅 63.95 mV/dec，接近约 60mV/dec 的室温理论极限（图 3b），跨导 gₘ 约 626 nS（图 3d）。

空气间隙还可降低界面陷阱相关低频噪声。器件在 VDS = −0.5 V 时噪声谱密度最低约 10⁻²⁵ A²/Hz，并呈现较低的 1/f 噪声（图 3e）。上述微弱低频信号与噪声测试中，赛恩科仪 OE1022 锁相放大器用于提取微弱信号，辅助获得噪声谱密度及 1/f 噪声特性。

对 40个70nm 器件的测试结果显示，其转移特性具有较好一致性（图 3f）；开关比整体超过 10⁵（图 3g），阈值电压主要分布在约 2–2.25 V（图 3h），亚阈值摆幅多数低于 80 mV/dec（图 3i），体现出较好的器件一致性。

图3. 不同宽度双机制NWFET 的模拟与电学性能。 (a)TCAD 模型; (b)、(c)转移特性与输出特性; (d)70 nm 器件跨导; (e)噪声谱密度; (f)40 个阵列器件的转移曲线; (g)-(i)开关比、阈值电压和亚阈值摆幅统计分布。

【应用成果】

研究团队进一步测试了双机制NWFET 的光电探测能力。在 532 nm 激光照射下，随着光功率密度增加，器件的IDS 明显提高（图4b）。通过测试不同光功率下的转移曲线和时间分辨光响应（图4c、d），得到器件上升时间和下降时间分别约为 1.9 μs 和 4.2 μs，体现出较快的光生载流子分离和输运能力。器件在低光功率条件下获得最高响应度（图4e），说明其具备较好的弱光探测能力。通过计算比探测率并与其他基于二维材料的光电探测器进行比较（图4f），作者认为该双机制 NWFET 在响应度与响应速度之间实现了较好的平衡。

图4. 空气间隙双机制NWFET 的光电探测性能。(a)亚阈值区光探测原理; (b)不同栅压和光照条件下的输出特性; (c)不同 532 nm 激光功率下的转移曲线; (d)时间响应; (e)响应率和比探测率; (f)与其他二维材料光电探测器的性能比较。

在器件级性能验证基础上，研究团队进一步将双机制 NWFET 用于模拟音频信号处理。以单个空气间隙双机制 NWFET 为核心构建类运算放大器单元，实现电压增益和高输入阻抗（图5a）；随后级联两个双机制 NWFET，构建包含线性放大和波形整形的吉他前置放大电路。

其中，第一级利用 NWFET 的线性工作区实现信号放大及输入阻抗、增益控制（图5b）；第二级通过调节器件静态工作点，使其进入饱和区与截止区之间的非线性过渡区域，产生可控谐波失真和软削波（Soft Clipping）效果（图5c）。低频音量控制电路则通过线性电阻分压调节处理后信号的增益和最终输出电平（图5d），与前级失真电路分别实现波形“整形”和幅度“缩放”。

实验波形显示，线性放大后输出信号幅度显著增加，而波形无明显失真（图5e），体现出较好的保真度和低噪声特性；经过失真电路后，输出波峰和波谷被平滑压缩，形成自然过渡的软削波波形（图5f）；经过低频音量控制电路后，信号幅度进一步平滑放大，而波形形状基本保持不变（图5g），表明该前置放大器具有良好的增益控制能力。前端输出同时具有较高的信噪比和稳定的谐波结构，能够与后级电路良好匹配，体现了空气间隙双机制 NWFET 模拟前端在系统级集成中的可行性。

图5. 基于双机制NWFET 的低噪声、低功耗吉他放大器。(a)NWFET 放大单元; (b)线性音频放大电路; (c)失真电路; (d)低频音量控制电路; (e)-(g)不同处理阶段的输入与输出波形。

【总结】

该研究提出了一种基于低玻璃化转变温度 PPC 支撑层的二维材料共形转移方法，实现了单层MoS₂ 在高纵横比 Si 纳米线上的无损集成，并利用自发形成的空气间隙构建了兼具 JFET 与 MOSFET 调控特性的双机制 NWFET。优化后的器件实现了 63.95 mV/dec 的超低亚阈值摆幅、约 10⁻²⁵ A²/Hz 的低噪声谱密度以及超过 10⁵ 的开关比。同时，研究还展示了该器件在光电探测和吉他前置放大器中的应用，体现了其在低噪声模拟信号处理、精密传感和弱信号前端等方向的应用潜力。