随着现代社会对计算能力需求的持续攀升，传统的硅基集成电路正面临前所未有的挑战。短沟道效应、严重发热以及高昂的处理成本等问题，使得当前最先进的硅基集成电路逐渐陷入发展瓶颈，难以满足日益增长的高性能计算需求。在此背景下，二维半导体凭借其独特的物理特性，如原子级厚度、极少数悬空键、高载流子迁移率以及强大的栅极控制能力，被广泛认为是延续摩尔定律的理想沟道材料，有望为半导体技术的进一步发展提供新的解决方案。
然而，尽管二维半导体展现出巨大的应用潜力，目前的研究进展仍面临诸多挑战。大多数已被研究的二维半导体材料，尤其是过渡金属二硫化物（TMDCs），大多表现出N型或双极性导电特性。这一现象的主要原因是界面电荷杂质和材料本身结构缺陷所导致的强电子掺杂效应。此前，为实现P型导电行为，研究者们主要依赖串联金属接触、电门控以及化学掺杂等方法。但这些方法受限于缺乏高性能的本征P型半导体材料，导致肖特基势垒和接触电阻显著增加。此外，低空穴传输效率问题也较为突出，其根源在于价带边缘轨道的强杂化作用引发了电子局域化现象。这些因素共同作用，严重阻碍了P型半导体在高速、低功耗互补逻辑电路以及范德华异质结构器件中的实际应用。鉴于此，探索并直接合成高性能本征P型二维半导体已成为当前半导体研究领域的迫切需求。近年来，这一方向逐渐成为兼具战略性和前沿性的研究热点，吸引了全球科研人员的高度关注和深入探索。
有鉴于此，近日，南京理工大学曾海波、陈翔教授团队报道了一种新型三元P型层状半导体In2Ge2Te6，并通过创新性的双步CVT法成功制备出高质量的In2Ge2Te6单晶。实验结果显示，该材料具有0.81 eV的直接带隙，以及0.27的低空穴有效质量。进一步利用机械剥离法从体单晶中获得了厚度低至0.4 nm（单层）的二维In2Ge2Te6纳米片。理论计算预测，二维六方相In2Ge2Te6有约0.20的低空穴有效质量和高达379 cm2 V-1 s-1（单层）及2271 cm2 V-1 s-1（双层）的高空穴迁移率。基于这些优异特性，研究团队采用二维In2Ge2Te6作为沟道材料，成功制备出厚度低至几纳米的底栅场效应晶体管（FET）器件。实验表明，器件性能与厚度密切相关，当厚度为13 nm时，实现了最高的室温空穴迁移率43 cm2 V-1 s-1和105的开关电流比。本文的工作不仅为高性能P型二维半导体材料的研究提供了新的方向，也为推动半导体技术的进一步发展奠定了坚实基础。
文献信息
Tong Zhao†, Shiying Guo†, Xiufeng Song†, Jie Gao, Kaili Wang, Xudong Pei, Yujie Yan, Seungwoo Son, Jiamin Lin, Haonan Nie, Biao Xu, Zhesheng Chen, Luca Perfetti, Weigao Xu, Yi Zhang, Shengli Zhang*, Zonghoon Lee, Peng Wang, Xiang Chen* and Haibo Zeng*, 2D In2Ge2Te6 Crystals for High-Performance p-Channel Transistors, Nano Lett., 2025, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c00580.
图文导读
图1.块体In2Ge2Te6单晶的晶体结构和电子结构
图2.二维In2Ge2Te6纳米片的形貌和原子结构
图3.二维In2Ge2Te6的拉曼光谱、带隙以及p型导电机制
图4. 2D P型In2Ge2Te6场效应晶体管性能
