有机场效应晶体管

近日，2020国际电子器件大会（IEDM）以视频会议的形式召开。会上，微电子所刘明院士科研团队展示了二硫化钼负电容场效应晶体管的最新研究成果。 功耗是制约未来集成电路发展的瓶颈问题。在栅极中引入铁电新材料的“负电容晶体管”（NCFET）可突破传统场效应晶体管的亚阈值摆幅开关极限，有望在极低电源电压下工作，从而降低功耗并保持高性能。同时，原子层厚度的二硫化钼（MoS2）免疫于短沟道效应，具有较高的迁移率、极低的关态电流和CMOS兼容的制造工艺等优势，是面向先进晶体管的可选沟道材料之一。近期的一些实验显示，MoS2 NCFET能实现低于60mV/dec的亚阈值摆幅。但这些研究仅实现了较长沟道（500 纳米）的器件，没有完全发掘和利用负电容效应在短沟道晶体管中的优势。 针对该问题，刘明院士团队通过对器件参数以及制造工艺的设计与优化，首次把MoS2 NCFET的沟道长度微缩至83 纳米，并实现了超低的亚阈值摆幅（SSmin=17.23 mV/dec 和 SSave=39 mV/dec）、较低回滞和较高的开态电流密度。相比基准器件，平均亚阈值摆幅从220 mV/dec提高至39 mV/dec，沟道电流在VGS=0 V和1.5 V下分别提高了346倍和26倍。这项工作推动了MoS2 NCFET尺寸持续微缩，对此类器件面向低功耗应用有一定意义。 基于上述研究成果的论文“Scaling MoS2 NCFET to 83 nm with Record-low Ratio of SSave/SSRef.=0.177 and Minimum 20 mV Hysteresis”入选2020 IEDM。微电子所杨冠华博士为第一作者。图(a) MoS2 NCFET转移曲线。(b)亚阈值摆幅~沟道电流关系。MoS2 NCFET与MoS2 FET对比数据：(c)转移曲线和(d)输出曲线

碳化硅（SiC）具有宽禁带、耐击穿的特点，其禁带宽度是Si的3倍，击穿电场为Si的10倍；且其耐腐蚀性极强，在常温下可以免疫目前已知的所有腐蚀剂。而金属氧化物半导体场效晶体管（简称：金氧半场效晶体管；英语：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，缩写：MOSFET），是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。在SiC MOSFET的开发与应用方面，与相同功率等级的Si MOSFET相比，SiC MOSFET导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性。2020年12月28日，北京第三代半导体产业技术创新战略联盟发布一项联盟标准T/CASA 006-2020《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管通用技术规范》。该项标准由中国科学院微电子研究所牵头起草，按照CASAS标准制定程序（立项、征求意见稿、委员会草案、发布稿），反复斟酌、修改、编制而成。标准的制定得到了很多CASA标准化委员会正式成员的支持。标准于2021年1月1日施行。附件下载https://www.instrument.com.cn/download/shtml/976637.shtml【相关阅读】企业成半导体刻蚀设备采购主力——半导体仪器设备中标市场盘点系列之刻蚀设备篇超亿采购中磁控溅射占主流——半导体仪器设备中标市场盘点系列之PVD篇上海市采购量独占鳌头——半导体仪器设备中标市场盘点系列之CVD篇第27批国家企业技术中心名单出炉，涉及这些仪器厂商探寻微弱电流的律动：超高精度皮安计模块亮相三家半导体设备商上榜“中国上市企业市值500强”862项标准获批，涉及半导体、化工检测和检测仪器等领域盘点各地十四五规划建议”芯“政策湖北省集成电路CMP用抛光垫三期项目拟购置43台仪器设备

2021年5月26日下午，联盟团体标准T/CASA 016-20XX《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）热阻电学法测试方法》标准草案线上讨论会顺利召开。本次会议共计15位专家代表参与标准研讨。会议由联盟标委会高伟博士主持，联盟秘书长于坤山提到团体标准作为国行标的补充，具有十分重要的意义，目前第三代半导体特别是碳化硅相关的应用发展迅速，国内外都非常的关注，但是缺乏相关的标准，该项标准的制定有助于促进相关平台的建设，推动企业研发工作的同时促进上下游之间的交流。本次会议主要针对T/CASA 016-20XX《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）热阻电学法测试方法》标准草案的范围、术语与定义、试验方法等内容进行充分讨论，并提出了诸多修改意见。SiC MOSFET的热阻在热管理设计中具有重要作用，热阻能够为器件运行时的结温评估与结构评价提供信息，为器件设计与优化改进提供参考，衡量器件散热性能的关键指标之一。准确的热阻测试对于SiC MOSFET的鉴定、评价具有重要意义。

有机场效应晶体管(organic field—effecttransistors)作为新一代电子元器件，自1986年问世以来，引起了学术界和工业界的广泛关注。与传统的无机半导体材料相比，有机半导体具有材料来源广，制备工艺简单，可与柔性衬底兼容等优点，在众多领域具有广泛的应用。有机场效应管性能的调解可以采用两种不同的手段：一、通过化学修饰来调解分子聚集态结构与界面电荷陷阱；二、提高载流子注入电的效率，通常方法为采用钙、镁等低功函数材料或采用复合电，减小接触电阻。Science China Chemistry近发表的一篇文章，报道了一种基于C60单晶的新型有机场效应管。通过PFN+Br-中间层的引入，大大地减小了电与半导体层的接触电阻，提高了载流子注入电的效率。其电子迁移率高达5.60cm2V-S-，阈值电压能够低至4.90V，性能远远高于没有PFN+Br-中间层的器件。 图1. C60带状晶体的形貌与晶体结构图：（a）C60晶体光学成像图；（b）C60晶体的AFM形貌图；（c）C60晶体的TEM成像图；（d）C60晶体的SAED图本研究采用美国Delong公司生产的超小型低电压透射电镜—LVEM5来表征C60的单晶带结构（如图1c所示），其主机采用Schottky场发射电子枪，能够提供高亮度高相干的电子束，并可直接放置于实验室的桌面上。在输出曲线中可以看出，IDS与VDS具有良好线性，表现出良好饱和特性。（如图2所示）。图2. 场效应管的性能表征：C60单晶不涂覆（a-c）/涂覆（d-f）共轭聚电；(a,d)转移曲线图；（b,e）45个器件电荷迁移率柱状图；（c,f）输出曲线图LVEM5加速电压只有5KV，但可以实现1.5 nm的分辨率，纳米结构可以获得高质量的电镜照片，且直接保存Tiff格式，无需转码。无需液氮，无需专人操作管理，操作维护简单快捷，是实验室的理想选择。* 展会快讯：Quantum Design中国子公司参加了 10月17-22日 在 成都 举办的“2017年电镜年会”，欢迎各位感兴趣的老师、同学亲临展台，参观指导，我们随时期待与您相会！ * 参考文献：Enhanced performance of field-effect transistors based on C60 single crystals with conjugated polyelectrolyte. Sci China Chem. April (2017) Vol.60 No.4.相关产品及链接：LVEM5 超小型透射电子显微镜 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C157727.htmRHK 扫描探针显微镜 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C44442.htm电导率-塞贝克系数扫描探针显微镜 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C71734.htm美国RHK无液氦低温STM/qPlusAFM系统 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C205015.htm超高分辨散射式近场光学显微镜 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C170040.htm

当前MOSFET器件的持续微缩所带来的功耗问题已经成为制约集成电路发展的主要瓶颈。研发新原理器件以突破MOSFET亚阈值摆幅（SS）为60mV/dec的室温极限，是实现高速度、低功耗CMOS技术和集成电路的重要途径。近年来，包括隧穿晶体管（TFET）、负电容晶体管（NCFET）、冷源晶体管（CSFET）等在内的多种器件技术为实现陡峭亚阈值摆幅和低功耗器件性能提供了思路。复旦大学微电子学院朱颢研究团队针对上述晶体管器件技术的关键需求，与美国国家标准与技术研究院（NIST）及美国乔治梅森大学合作，提出了一种具有陡峭亚阈值摆幅的负量子电容晶体管器件。研究成果以《Steep-Slope Negative Quantum Capacitance Field-Effect Transistor》为题在近日召开的第68届国际电子器件大会（IEDM，International Electron Devices Meeting）上发表，微电子学院朱颢以及美国NIST的Qiliang Li为通讯作者，课题组杨雅芬博士为第一作者，复旦大学微电子学院为第一单位。该工作将单层石墨烯二维金属系统集成于MoS2晶体管的栅极结构中，构建负量子电容晶体管（NQCFET）器件，利用单层石墨烯在低态密度条件下产生的负电子压缩效应，通过栅极电压调控形成负量子电容。类似于传统基于铁电材料的负电容器件，NQCFET器件中利用石墨烯提供的负量子电容贡献，实现内部栅压放大和小于60mV/dec亚阈值摆幅的特性。该工作中，通过对器件栅极叠层结构以及制备工艺的优化，实现了最小31mV/dec的亚阈值摆幅和可忽略的滞回特性，以及超过106的开关比，有效降低器件静态与动态功耗。同时结合理论仿真揭示了器件陡峭亚阈值摆幅的形成机理，为未来高速低功耗晶体管器件技术的发展提供了新的路径。该项研究工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。负量子电容晶体管器件结构与器件性能图

26日，记者从中国科学技术大学获悉，该校微电子学院龙世兵教授课题组联合中科院苏州纳米所加工平台，分别采用氧气氛围退火和氮离子注入技术，首次研制出了氧化镓垂直槽栅场效应晶体管。相关研究成果日前分别在线发表于《应用物理通信》《IEEE电子设备通信》上。作为新一代功率半导体材料，氧化镓的p型掺杂目前尚未解决，氧化镓场效应晶体管面临着增强型模式难以实现和功率品质因数难以提升等问题，因此急需设计新结构氧化镓垂直型晶体管。研究人员分别采用氧气氛围退火和氮离子注入工艺制备了器件的电流阻挡层，并配合栅槽刻蚀工艺研制出了不需P型掺杂技术的氧化镓垂直沟槽场效应晶体管结构。氧气氛围退火和氮离子注入所形成的电流阻挡层均能够有效隔绝晶体管源、漏极之间的电流路径，当施加正栅压后，会在栅槽侧壁形成电子积累的导电通道，实现对电流的调控。类似于硅经过氧气氛围退火处理可形成高阻表面层，氧化镓采用该手段制备电流阻挡层具有缺陷少、无扩散、成本低等特点，器件的击穿电压可达到534伏特，为目前电流阻挡层型氧化镓MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）器件最高值，功率品质因数超过了硅单极器件的理论极限。研究人员表示，这两项工作为氧化镓晶体管找到了新的技术路线和结构方案。

据美国物理学家组织网12月21日(北京时间)报道，德国科学家研制出一种新式的通用晶体管，其既可当p型晶体管又可当n型晶体管使用，最新晶体管有望让电子设备更紧凑 科学家们也可用其设计出新式电路。相关研究发表在最新一期的《纳米快报》杂志上。 　　目前，大部分电子设备都包含两类不同的场效应晶体管：使用电子作为载荷子的n型和使用空穴作为载荷子的p型。这两种晶体管一般不会相互转化。而德累斯顿工业大学和德奇梦达公司携手研制的新式晶体管可通过电信号对其编程，让其自我重新装配，游走于n型晶体管和p型晶体管之间。 　　新晶体管由单条金属—半导体—金属结构组成的纳米线嵌于一个二氧化硅外壳中构成。从纳米线一端流出的电子或空穴通过两个门到达纳米线的另一端。这两个门采用不同方式控制电子或空穴的流动：一个门通过选择使用电子或空穴来控制晶体管的类型 另一个门则通过调谐纳米线的导电性来控制电子或空穴。 　　传统晶体管通过在制造过程中掺杂不同元素来确定其是p型还是n型，而新式晶体管不需要在制造过程中掺杂任何元素，通过在一个门上施加外部电压即可重新配置晶体管的类型。施加的电压会使门附近的肖特基结阻止电子或空穴流过设备，如果电子被阻止，空穴能流动，那么，晶体管就是p型，反之则是n型。 　　研究人员解释道，使这种再配置能起作用的关键是调谐分别通过肖特基结(每个门一个)的电子流动情况，模拟显示，纳米线的几何形状在这方面起关键作用。 　　尽管该研究还处于初期阶段，但新式晶体管展示出了极佳的电学特性。比如，与传统纳米线场效应晶体管相比，其开/闭比更高，且漏电更少。该研究的领导者沃尔特韦伯表示：“除采用人造纳米线外，采用目前先进的硅半导体制造技术也可以制造出这种晶体管，还可以用到自对准技术，大大提高工作频率和速度。” 　　接下来，科学家们计划通过改变材料的组成来改进新式晶体管的性能，并制造出由其运行的电路。他们表示，最大的挑战是，在将其与其他晶体管结合在一起时，如何将额外的门信号整合进来。

北京大学电子学院彭练矛教授-邱晨光研究员课题组日前制备出10纳米超短沟道弹道二维硒化铟晶体管，首次使得二维晶体管实际性能超过Intel商用10纳米节点的硅基鳍型晶体管，并将二维晶体管的工作电压降到0.5V，这也是世界上迄今速度最快能耗最低的二维半导体晶体管。该研究成果以《二维硒化铟弹道晶体管》为题日前在线发表于《自然》。芯片为大数据和人工智能的发展提供源源不断的动力，芯片速度的提升得益于晶体管的微缩，然而当前传统硅基场效应晶体管的性能逐渐接近其本征物理极限。受限于接触、栅介质和材料等方面的瓶颈，迄今为止，所有二维晶体管所实现的性能均不能媲美业界先进硅基晶体管，其实验结果远落后于理论预测。对此，团队在研发过程中实现了三方面技术革新：一是采用高载流子热速度（更小有效质量）的三层硒化铟作沟道，实现了室温弹道率高达83%，为目前场效应晶体管的最高值，远高于硅基晶体管的弹道率（小于60%）；二是解决了二维材料表面生长超薄氧化层的难题，制备出2.6纳米超薄双栅氧化铪，将器件跨导提升到6毫西微米，超过所有二维器件一个数量级；三是开创了掺杂诱导二维相变技术，克服了二维器件领域金半接触的国际难题，将总电阻刷新至124欧姆微米。研究团队表示，这项工作突破了长期以来阻碍二维电子学发展的关键科学瓶颈，将n型二维半导体晶体管的性能首次推近理论极限，率先在实验上证明出二维器件性能和功耗上优于先进硅基技术，为推动二维半导体技术的发展注入了强有力的信心和活力。

复旦大学微电子学院张卫课题组成功研制出第一个介于普通MOSFET晶体管和浮栅晶体管之间的半浮栅晶体管(SFGT)。8月9日，美国《科学》杂志刊发了该研究成果。这是我国科学家首次在该杂志上发表微电子器件领域的论文，标志着我国在全球尖端集成电路技术创新链中获得重大突破。 　　据介绍，金属&mdash 氧化物&mdash 半导体场效应晶体管(MOSFET)是目前集成电路中最基本的器件，而我们常用的U盘等闪存器件，多采用另一种被称为浮栅晶体管的器件。此次研究人员把一个隧穿场效应晶体管(TFET)和浮栅器件结合起来，构成了一种全新的&ldquo 半浮栅&rdquo 结构器件，称为半浮栅晶体管。它具有高密度和低功耗的明显优势，可取代一部分静态随机存储器(SRAM)，并可应用于动态随机存储器(DRAM)领域以及主动式图像传感器芯片(APS)领域。 　　&ldquo 在这些领域，中国大陆具有自主知识产权且可应用的产品几乎没有。&rdquo 张卫介绍说，作为一种基础电子器件，半浮栅晶体管在存储和图像传感等领域的潜在应用市场规模超过300亿美元。它的成功研制将有助于我国掌握集成电路的核心技术，从而在国际芯片设计与制造领域内逐渐获得更多话语权。 　　不同于实验室研究的基于碳纳米管、石墨烯等新材料的晶体管，半浮栅晶体管是一种基于标准硅CMOS工艺的微电子器件。SFGT原型器件在复旦大学的实验室中研制成功，而与标准CMOS工艺兼容的SFGT器件也已在国内生产线上被成功制造出来。 　　&ldquo 半浮栅晶体管兼容现有主流集成电路制造工艺，具有很好的产业化基础。&rdquo 张卫表示，不过，拥有核心专利并不等于拥有未来的广阔市场。尽管半浮栅晶体管应用市场广阔，但前提是对核心专利进行优化布局。

【科学背景】镜像孪晶界（MTBs）指的是在MoS2等材料中，两个相邻单层晶体通过精确的60°旋转形成的镜像反射结构。这种特殊的结构不仅具有稳定性，还被理论预测具有一维电子态的特性，可能展现出与传统二维材料不同的电子传输性质。然而，过去对MTBs的研究主要局限于小尺寸晶体和非控制条件下的实验，这限制了其在实际应用中的潜力发挥。因此，韩国浦项科技大学Moon-Ho Jo教授团队联合通过确定性的外延生长，成功地实现了可扩展的MTBs结构，并验证了其作为一维金属性质的稳定性和可靠性。这一研究不仅扩展了对MTBs电子性质的理解，还为将其应用于二维电子电路中提供了新的合成途径。在研究的过程中，研究团队不仅实现了对MTBs结构的精确控制，还探索了其作为电子元件中的潜在应用，如利用MTBs作为接触和互连的可能性。通过将MTBs集成到二维场效应晶体管（FETs）中，他们成功地展示了在低功耗逻辑电路中的先进性能。【科学亮点】（1）实验首次利用位置控制的外延生长技术，在原子厚的范德瓦尔斯半导体中实现了确定性MoS2镜像孪晶界（MTBs），并将其作为一维门的局部应用。（2）实验通过简单的直流测量验证了这些MTBs在室温下作为稳健的一维欧姆导体的金属性质，证实其在单个和网络水平上的大规模应用潜力。此外，作者报道了将外延MTBs集成为原子尺度的门，构建vdW异质结场效应晶体管（FETs）的成功案例。【科学图文】图1 | 在外延范德华硫化钼MoS2 单层ML双晶中的镜像孪晶MTB。图2 | 范德华vDW MoS2 单层ML双晶中，1D外延金属网络。图3 | 通过位置控制成核设计的1D外延金属网络几何结构。图4 | 具有MoS2镜像孪晶界MTB作为1D局域栅的场效应晶体管field-effect transistors，FET。【科学启迪】在本研究中，作者首次通过位置控制的外延方法成功实现了确定性的MoS2镜像孪晶界（MTBs），这些MTBs表现出显著的一维金属性质。通过简单的直流测量，作者验证了这些MTBs在室温下作为稳健的一维欧姆导体的能力，展示了其在电路长度尺度上的金属性质。此外，作者还将这些MTBs成功集成为一维门，构建了集成的二维场效应晶体管（FETs），并在单个和阵列FETs中展示了其在低功耗逻辑电路中的优异性能。这些研究成果不仅为利用范德瓦尔斯半导体中的MTBs构建高效电子器件提供了新的合成途径，还展示了在实现大面积单晶生长方面的潜力。未来，通过更精确地控制晶体纹理的大小、位置和取向序列，作者有望进一步推动创新的二维电子电路设计，利用MTBs作为关键的接触和互连元件，从而实现更高效、更紧凑的电子器件。这些发现不仅对范德瓦尔斯材料的工程设计具有重要意义，还为下一代电子技术的发展开辟了新的可能性。原文详情：Ahn, H., Moon, G., Jung, Hg. et al. Integrated 1D epitaxial mirror twin boundaries for ultrascaled 2D MoS2 field-effect transistors. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01706-1

【科学背景】二维(2D)半导体具有原子级厚度，是潜在的高度缩放晶体管沟道材料，因其能够抑制短沟道效应而成为研究热点。然而，要超越传统的硅基晶体管，需要在2D半导体上开发无瑕的超薄高介电常数（κ）介电材料，以实现高效的栅极控制。然而，由于2D半导体表面没有悬挂键，直接进行原子层沉积（ALD）来沉积介电层存在非均匀成核和电流泄漏的问题，特别是在介电层厚度小于3nm的情况下。为了解决这个问题，科学家们提出了多种界面工程方法，包括等离子预处理和种子层预沉积，但这些方法通常会引入额外的界面电荷散射、较差的热稳定性或整体栅极电容降低等问题。有鉴于此，南开大学材料科学与工程学院张磊，吴金雄等教授提出了一种垂直金属辅助的范德华（vdW）集成方法，这种方法能够在不损伤2D半导体表面的情况下，将高κ介电材料层叠到2D半导体上。研究中开发了一种铋氧化物（Bi2O3）辅助的化学气相沉积（CVD）方法，用于垂直生长钯、铜和金等单晶纳米片，这些纳米片具有原子级平整的表面。通过无聚合物的机械压合方法，这些纳米片可以轻松转移到目标基板上。此外，CVD生长的钯与ALD过程兼容，能够在其上沉积超薄高κ介电材料如Al2O3和HfO2，同时保持其原子级平整表面。通过一步转移过程，研究人员将小于3nm的Al2O3/Pd和HfO2/Pd异质结构堆叠在几层的MoS2或石墨烯上，形成了清洁的vdW界面，没有有机污染或沉积引起的损伤。结果表明，使用2nm厚Al2O3或HfO2介电材料的顶栅MoS2场效应晶体管（FET）展示了约61mV/dec的亚阈值摆幅、0.45V的低工作电压、107的开/关比、10&minus 6A/cm² 的栅极漏电流和~1mV的可忽略滞后。【科学亮点】(1) 实验首次介绍了铋氧化物辅助化学气相沉积(CVD)方法：&bull 首次开发了铋氧化物辅助CVD方法，用于垂直生长单晶金属纳米片，如钯、铜和金，这些纳米片具有原子级平整表面。&bull 创新性地展示了纳米片通过无聚合物机械压合技术轻松转移到目标基板上，这一过程没有引入有机污染物，保持了原子级平整度。(2) 实验通过vdW集成成功实现了亚1nm CEC的2D晶体管的制备：&bull 使用了铋氧化物辅助CVD生长的钯纳米片作为基础，成功实现了超薄高介电常数(高κ)介电材料（如Al2O3和HfO2）的原子层沉积（ALD），保持了介电材料的原子级平整度。&bull 在少层二硫化钼(MoS2)和石墨烯上，通过一步转移过程堆叠了小于3nm厚的Al2O3/Pd和HfO2/Pd异质结构，形成了清洁的vdW界面，避免了常见的沉积损伤和有机污染物的引入。(3) 实验所制备的MoS2顶栅场效应晶体管(FET)展示了亚1nm CEC（0.9nm）的高介电常数（高κ）介电材料（Al2O3或HfO2）的优异性能。具体包括低至0.45V的操作电压、106 A/cm² 的栅极漏电流。【科学图文】图1：垂直生长的单晶金属化学气相沉积chemical vapour deposition，CVD生长、无聚合物转移和表征。图2：垂直生长钯Pd纳米片的原子层沉积atomiclayer deposition，ALD兼容性和范德华van der Waals，vDW集成。图3：以亚3nm Al2O3/Pd作为顶栅介质和电极的MoS2晶体管。图4：以2nm HfO2/Pd作为顶栅介质和电极的MoS2晶体管。【科学结论】本文的科学启迪在于了一种新颖的方法，利用铋氧化物辅助化学气相沉积（CVD）生长垂直单晶二维金属纳米片，并成功将其作为高质量原子层沉积（ALD）氧化物的平台。这一方法不仅解决了传统ALD技术在二维半导体表面上沉积难题，还避免了传统转移技术中介电层厚度过大的问题。通过铋氧化物的引入，实现了在原子级别上对金属表面的垂直生长，从而为超薄介电层的制备提供了一种新途径。此外，本文还通过简化的一步法集成过程，成功在二维半导体上形成了范德华界面，避免了传统转移过程中的有机污染和损伤，确保了介电层的质量和性能。这不仅有助于在极小的电容等效厚度下实现高效的栅极控制，还为制造更高性能的二维场效应晶体管（FET）奠定了基础。原文详情：Zhang, L., Liu, Z., Ai, W. et al. Vertically grown metal nanosheets integrated with atomiclayerdeposited dielectrics for transistors with subnanometre capacitanceequivalent thicknesses. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928024012023

小分子作为分子量小于 1000 道尔顿的化合物，在生命活动中发挥着重要的作用。对小分子进行检测和分析，无论是在生物医学领域，还是在疾病的早期诊断中，都是非常必要的。目前，市场上已出现不少小分子检测方法，包括光谱学、电化学等技术，但它们也同时存在着各种缺点，比如操作复杂、通量小、设备昂贵等。与上述传统的检测技术相比，场效应晶体管（field-effect transistors，FET）这种传感器平台则具有诸多优点，如灵敏度高、响应速度快、即时检测等。在该平台中，石墨烯作为导电通道，当其与小分子相互作用时，和电荷转移相关的化学掺杂效应会改变它的电势，导致石墨烯 FET 通道的电导发生实时变化。其中，必须说明的是，小分子的电荷量或分析物的氧化还原性，对化学门控调制起着决定性作用。也就是说，这种晶体管传感器，更适用于检测那些带电量较多的分子，而无法很好地检测那些电荷很少、且氧化还原性能较弱的小分子。复旦大学魏大程研究员带领的课题组，以新型场效应晶体管材料的研发为研究重点（课题组主页：www.weigroupfudan.com）。近期，该课题组发现了一种光化学门控效应，可以通过引入额外的光门控调制，来提高小分子的检测灵敏度。基于此，他们在石墨烯 FET 通道上，生长了具有良好光敏性的共价有机框架材料，能够吸收大量的光能量，并产生丰富的光电子，进而放大对化学信号的电流响应。图丨团队合照（来源：魏大程）接着，该团队采用光门控和化学门控协同的策略，开发了一款光增强化学晶体管传感器，实现对不同小分子，包括中性分子在内的高灵敏检测。利用该器件，他们成功检测到由细胞产生的、浓度低于 10−19M 的二羰基代谢物甲基乙二醛（methylglyoxal，MGO），至少比现有的技术低 5 个数量级。需要说明的是，MGO 是糖尿病、心血管病等疾病的重要参与分子，此前传统的小分子检测方法，很少能够实现对浓度低于 10−9M 的 MGO 的检测。在检测 MGO 的基础上，该器件还可以通过在共价有机框架材料上设计活性位点的方式，实现对其他具有不同电荷性质的小分子的检测。并且，对共价有机框架材料的分子结构进行调整，还能满足对其他疾病标志物的检测，比如蛋白质、离子、核酸等。图丨光增强化学晶体管（来源：Journal of the American Chemical Society）据魏大程介绍，该研究开始于 2018 年左右，整个过程持续了两到三年时间。“我们先是发现了一些光增强的电学响应信号现象，但并不清楚其中的机理，后来做了很多对比实验，同时也进行反复的讨论分析，才明白其实际上是光栅效应和化学效应的协同作用导致的。”他说。同时，他也表示：“我们利用光增强技术的好处是，能够对信号放大，使晶体管传感器发展成一个通用平台，既可以检测带电量较高的小分子，也可以检测带电量较低的小分子。”图丨光增强化学晶体管（来源：Journal of the American Chemical Society）2023 年 4 月 25 日，相关论文以《用于小分子超灵敏检测的光增强化学晶体管平台》（Photo-Enhanced Chemo-Transistor Platform for Ultrasensitive Assay of Small Molecules）为题在 Journal of the American Chemical Society 上发表[1]。图丨相关论文（来源：Journal of the American Chemical Society）复旦大学硕士研究生王乾坤、艾昭琳为该论文的共同第一作者，复旦大学魏大程研究员为论文的通讯作者。整体来看，该研究拓宽了晶体传感器平台的应用范围，具有快速、易于操作、高灵敏等优点的传感器件，有望在生物医学研究、健康监测和疾病诊断中实现应用。魏大程表示：“我们实验室主要想将晶体管传感器与医疗相结合，开展一些生化检测方面的研究。不过，实现小分子检测只是研究的一部分，这里面还有许多科学问题和技术问题有待解决。比如，我们想实现对癌症的检测。虽然这方面也已经有了很多相关技术，但在进一步提高检测的准确性上还有研究的空间，所以接下来我们也计划朝着这个方向进行探索。”此外，生化传感领域，尤其是晶体管传感技术，目前尚处于实验室阶段，现在，临床上还没有在大规模使用的产品。该团队也正在和相关企业进行交流，希望能够基于所开发的技术，打造一些具有较强实用性的产品，推动产业领域的应用。

当今科技迅猛发展，电子器件的小型化和性能提升是科研人员的极致追逐。其中，晶体管是当代电子设备中不可或缺的核心组件，其尺寸微缩和性能提升直接关系到整个电子行业的进步。与此同时，硅基场效应晶体管（FET）的性能逐渐逼近本征物理极限，国际半导体器件与系统路线图（IRDS）预测硅基晶体管的栅长最小可缩短至12 nm，工作电压不低于0.6 V，这决定了未来硅基芯片缩放过程结束时的极限集成密度和功耗。因此，迫切需要发展新型沟道材料来延续摩尔定律。 二维（2D）半导体具备可拓展性、可转移性、原子级层厚和相对较高的载流子迁移率，被视为超越硅基器件的下一代电子器件的理想选择。近年来，先进的半导体制造公司和研究机构，都在对二维材料进行研究。Lake Shore的低温探针台系列产品可容纳最大1英寸（25.4mm）甚至8英寸的样品，可以为二维半导体材料研究提供精准的温度磁场控制及精确可重复的测量，是全球科研工作者的值得信赖的工具。本文我们将结合近期Nature、Nature electronics期刊中的前沿成果，一起领略Lake Shore低温探针台系列产品在二维晶体管革新中的应用吧！ 图1. Lake Shore低温探针台1. 探针台电学测量揭秘最快二维晶体管——弹道InSe晶体管 对于二维半导体晶体管的速度和功耗方面的探索，北京大学电子学院彭练矛院士，邱晨光研究员课题组报道了一种以2D硒化铟InSe为沟道材料的高热速度场效应晶体管，首次使得二维晶体管实际性能超过Intel商用10纳米节点的硅基FinFET（鳍式场效应晶体管），并将工作电压下降到0.5V，称为迄今速度最快、能耗最低的二维半导体晶体管。相关研究成功以“Ballistic two-dimensional InSe transistors”为题发表于《Nature》上。 基于Lake Shore 低温探针台完成的电学测试表明，在0.5 V工作电压下，InSe FET具有6 mSμm-1的高跨导和饱和区83%的室温弹道比，超过了任何已报道的硅基晶体管。实现低亚阈值摆幅(SS)为每75 mVdec-1，漏极诱导的势垒降低(DIBL)为22 mVV-1。此外，10nm弹道InSe FET中可靠地提取了62 Ωμm的低接触电阻，可实现更小的固有延迟和更低的能量延迟积(EDP)，远低于预测的硅极限。 这项工作首次证实了2D FET可以提供接近理论预测的实际性能，率先在实验上证明了二维器件性能和功效上由于先进硅基技术，为2D FET发展注入信心和活力。2. 探针台光电测量揭示光活性高介电常数栅极电介质——2D钙钛矿氧化物SNO 与2D半导体兼容的高介电常数的栅极电介质，对缩小光电器件尺寸至关重要。然而传统三维电介质由于悬挂键的存在很难与2D材料兼容。为解决以上问题，复旦大学方晓生教授等人进行了大量研究实验，发现通过自上而下方式制备的2D钙钛矿氧化物Sr10Nb3O10（SNO）具有高介电常数（24.6）、适中带隙、分层结构等特点，可通过温和转移的方法，与各种2D沟道材料（包括石墨烯、MoS2，WS2和WSe2）等构建高效能的光电晶体管。文章以“Two-dimensional perovskite oxide as a photoactive high-κ gate dielectric”为题发表在Nature electronics上。图3. 具有SNO顶栅介电层的双栅WS2光电晶体管的电特性和光响应 基于Lake Shore探针台的光电测试表明，SNO作为顶栅介电材料，与多种通道材料兼容， 集成光电晶体管具有卓越的光电性能。MoS2晶体管的开/关比为106，电源电压为2V，亚阈值摆幅为88&thinsp mVdec-1。在可见光或紫外光照射下，WS2光电晶体管的光电流与暗电流比为~106，紫外(UV)响应度为5.5&thinsp ×&thinsp 103&thinsp AW-1，这是由于栅极控制和光活性栅极电介质电荷转移的共同作用。本研究展示了2D钙钛矿氧化物Sr2Nb3O10（SNO）作为光活性高介电常数介质在光电晶体管中的广泛应用潜力。 3. 探针台电学测量探索200毫米晶圆级集成——多晶MoS2晶体管 二维半导体，例如过渡金属硫族化合物（TMDs），是一类很有潜力的沟道材料，然而单器件演示采用的单晶二维薄膜，均匀大规模生长仍具挑战，无法应用于大尺度工业级器件制备。与单晶相比，多晶TMD的较大规模生长就容易很多，具备工业化应用集成的潜力。 有鉴于此，三星电子有限公司Jeehwan Kim和Kyung-Eun Byun 团队提出一种使用金属-有机化学气相沉积（MOCVD）制造大规模多晶硫化钼（MoS2）场效应晶体管阵列的工艺，与工业兼容，在商用200毫米制造设备中进行加工，成品率超过99.9%。文章以“200-mm-wafer-scale integration of polycrystalline molybdenum disulfide transistors”为题发表在Nature electronics上。 图4. 三种不同接触类型（a常规顶部接触，b多晶MoS2的底部接触，c单层MoS2底部接触）的电学特性和肖特基势垒高度 基于Lake Shore低温探针台CPX-VF的电学测试表明，相比于顶部接触，底部接触可以更好的消除2D FETs阵列中多晶2D/金属界面的肖特基势垒。没有肖特基势垒的多晶MoS2场效应晶体管表现良好，迁移率可达21 cm2V-1s-1，接触电阻可达3.8 kΩµ m，导通电流密度可达120µ Aµ m-1，可比拟单晶晶体管。4. Lake Shore低温探针台系列 美国Lake Shore公司的低温探针台根据制冷方式不同，主要分为无液氦低温探针台和消耗制冷剂低温探针台，其下又因为磁场方向、尺寸大小差别，有更多型号的细分，适用于不同应用场景（电学、磁学、微波、THz、光学等），客户可根据需要，选择不同的温度和磁场配置。客户可以选择自己搭配测试仪表集成各类测试，也可以选择我们的整体测试解决方案，如电输运测试、半导体分析测试、霍尔效应测试、铁电分析测试，集成光学测试等。图5. 低温探针台选型和适用的应用场景Lake Shore低温探针台主要特征☛ 最大±2.5 T磁场☛ 低温至1.6 K，高温至675 K☛ fA级低漏电测量☛ 最高67 GHz高频探针☛ 3 kV 高电压探针（定制） ☛ 大温区低温漂探针☛ 真空腔联用传送样品（定制）☛ ＜30 nm低振动适用于显微光学测量☛ 无需翻转磁场快速霍尔效应测试☛ 多通道高精度低噪声综合电学测量☛ 光电、CV、铁电、半导体分析测试参考文献：1. J. Jiang, L. Xu, C. Qiu, L.-M. Peng, Ballistic two-dimensional InSe transistors. Nature 616, 470-475 (2023).2. S. Li, X. Liu, H. Yang, H. Zhu, X. Fang, Two-dimensional perovskite oxide as a photoactive high-κ gate dielectric. Nature Electronics 7, 216-224 (2024).3. J. Kwon et al., 200-mm-wafer-scale integration of polycrystalline molybdenum disulfide transistors. Nature Electronics 7, 356-364 (2024).相关产品1、Lake Shore低温探针台系列

style type=" text/css" .TRS_Editor P{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor DIV{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TD{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TH{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor SPAN{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor FONT{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor UL{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor LI{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor A{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt } /style p 　　近年来，移动互联网和智能终端的快速发展刺激了智能传感技术在人机交互、人工智能和可穿戴设备等领域的研究。同时，由于场效应晶体管具有低成本和大规模化等特点，因而被广泛地应用于电子器件、人机交互和健康监测等领域。但传统场效应晶体管需要通过栅电极接入电信号用于传感和控制，栅电极的制备工艺复杂，容易损坏，在一定程度上限制了其在可穿戴智能器件上的发展。 /p p 　　2014年，中国科学院外籍院士、中科院北京纳米能源与系统研究所首席科学家王中林和研究员张弛率领的研究组，首次提出了摩擦电子学这一新的研究领域，利用摩擦产生的静电势作为门极信号来调控半导体中电传输与转化特性，可以用于信息传感和主动性控制，实现了各种人机交互式功能器件，如机电耦合逻辑电路、触控型电致发光、接触式机电存储、增强型光电转换、智能触摸开关、主动式触觉成像系统、电子皮肤、柔性透明晶体管等。近年来，摩擦电子学得到了国内外学者的广泛关注和跟踪研究，成为柔性电子学领域的研究热点。 /p p 　　近日，该科研团队与清华大学化学系副教授董桂芳团队合作，共同研发出一种无栅电极的柔性有机摩擦电子学晶体管。研究人员利用一个可移动摩擦层，直接与介电层接触起电，实现了对晶体管源漏电流的调控，该器件可用于传感触觉压力和磁场强度，能够实现21%Pa sup -1 /sup 和16%mT sup -1 /sup 的灵敏度，以及优于120ms的响应时间，具有良好的稳定性和耐久性。该器件基于介电层与外部直接接触起电来代替传统栅电压的传感机制，能够有效简化晶体管中栅电极的制备工艺，避免因器件弯曲造成的栅电极损坏，增加其作为传感器的稳定性和耐久性，建立了一种与外界环境刺激的直接交互机制，在人机界面、电子皮肤、可穿戴电子设备以及智能传感领域具有广阔的应用前景。 /p p 　　相关研究成果发表在 em ACS Nano /em 上。 /p p br/ /p p style=" text-align:center " img alt=" " oldsrc=" W020171116586287109024.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201711/uepic/bfe1a876-e48c-48ba-a1f0-60df2d550ca4.jpg" uploadpic=" W020171116586287109024.jpg" / /p p 　　(a) 无栅极摩擦电子学晶体管工作原理示意图。(b) 用于力磁传感的无栅极柔性摩擦电子学晶体管实物图。(c) 力磁传感工作原理示意图。(d) 不同压力下源漏电流的变化。(e) 不同磁场强度下源漏电流的变化。(f) 手指按压传感器控制LED灯亮度演示压力传感。(g) 磁铁接近传感器控制LED灯亮度演示磁场强度传感。 /p

近日，中国科学院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室在有机分子晶体器件的载流子输运研究中取得重要进展。相比于传统基于无序半导体材料的场效应晶体管中掺杂引起的缺陷钝化(trap-healing)现象，由有序单晶电荷转移界面制备的场效应晶体管整体电导、迁移率高，并具有跨导不依赖于栅压的电学特性，这表明迁移率的提高取决于trap-healing效应，且存在其他影响电学性能的机制。中科院院士、微电子所研究员刘明团队制备了基于p型和n型有机分子构成的单晶电荷转移界面的晶体管器件，探究了电荷转移界面以及栅氧界面电场的相互作用对晶体管工作时载流子及电导分布特性的影响。相较于界面，单晶体内的缺陷态减少3个数量级以上，这意味着更小的散射概率和更高的器件迁移率。研究通过开尔文探针显微镜对表面电势的栅压依赖性表征和二维数值仿真证实，电荷转移界面的内建电场与栅氧界面电场发生有效耦合，提高了载流子体传输比例，减少了界面无序因素对载流子传输的限制作用，大幅提升了器件的跨导。相关研究成果以Surface Doping Induced Mobility Modulation Effect for Transport Enhancement in Organic Single Crystal Transistors为题，发表在Advanced Material上。研究工作得到国家重点研发计划、微电子所微电子器件与集成技术重点实验室开放课题、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技项目的支持。图1.电荷转移晶体管的迁移率调制效应的原理图图2.利用扫描开尔文探针显微镜对电荷转移界面的表面电势的表征分析

【科学背景】随着信息技术和电子设备的迅猛发展，对高性能、高速运算的需求日益增加。因此呢，晶体管作为核心电子器件，其性能的提升成为了关键研究方向。传统的晶体管，如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和双极结晶体管（BJT），已经在现代集成电路中取得了显著成功。然而，随着应用对速度和功能的要求不断提高，热载流子晶体管作为新兴技术开始受到关注。热载流子晶体管是一类利用载流子过剩动能的设备，与常规晶体管依赖于稳态载流子输运不同，热载流子晶体管通过将载流子调节至高能状态来提升设备的速度和功能。这种特性对于需要快速开关和高频操作的应用，例如先进电信和尖端计算技术，具有重要意义。然而，传统的热载流子生成机制主要包括载流子注入和加速，这些机制在功耗和负微分电阻（NDR）方面限制了设备的性能。例如，载流子注入机制和加速机制都无法提供低于60&thinsp mV&thinsp dec&minus 1的超低亚阈值摆幅，这对于现代低功耗应用至关重要。为了解决这些问题，中国科学院金属研究所研究员刘驰、孙东明和中国科学院院士成会明，联合中国科学院金属研究所研究员任文才团队、北京大学助理教授张立宁团队合作提出了一种基于双重混合维度石墨烯/锗肖特基结的热发射晶体管（HOET）。该晶体管利用加热载流子的受激发射机制，实现了低于1毫伏每十年（decade）的超低亚阈值摆幅，超出了玻尔兹曼极限，并且在室温下具有大于100的峰值-谷值电流比的负微分电阻。通过这种新颖的机制，HOET克服了传统热载流子晶体管在功耗和NDR方面的限制，提供了一种具有显著潜力的多功能晶体管，适用于低功耗和负微分电阻应用，为后摩尔时代的技术进步提供了新的解决方案。【科学亮点】（1）实验首次报道了一种基于双重混合维度石墨烯/锗肖特基结的热发射晶体管（HOET），该晶体管利用加热载流子的受激发射实现了超低亚阈值摆幅和高峰值-谷值电流比的负微分电阻（NDR）。（2）实验通过结合块状材料和低维材料（石墨烯和锗），利用其不同的能带组合形成潜在障碍，从而实现了以下结果：&bull 该HOET实现了低于1毫伏每十年（decade）的亚阈值摆幅，超出了玻尔兹曼极限，这使得设备在低功耗应用中表现优异。&bull 在室温下，HOET的负微分电阻具有大于100的峰值-谷值电流比，这在石墨烯设备中为最高之一，显示出优异的性能。&bull 进一步演示了具有高反相增益和可重配置逻辑状态的多值逻辑应用，展示了设备的多功能性和高性能。【科学图文】图1：器件结构及基本特性。图2：超低SS和SEHC机制。图3：负微分电阻。图4： 用于MVL技术的HOET。【科学结论】本文的研究提供了对热载流子晶体管（HET）领域的重要科学启迪。传统的热载流子生成机制，如载流子注入和加速，存在限制设备性能的不足，特别是在功耗和负微分电阻（NDR）方面。本文提出了一种基于双重混合维度石墨烯/锗肖特基结的热发射晶体管（HOET），利用加热载流子的受激发射机制，显著突破了传统机制的限制，实现了低于1毫伏每十年（decade）的超低亚阈值摆幅，并在室温下展现出大于100的峰值-谷值电流比。这一创新不仅提升了器件的性能，还为低功耗和NDR应用提供了新颖的解决方案。通过将块状材料与低维材料结合，利用不同能带组合形成的潜在障碍，HOET展示了如何通过新机制生成热载流子，推动了热载流子晶体管技术的发展。这项研究为后摩尔时代的电子器件设计开辟了新的方向，尤其是在高性能、低功耗和多功能应用方面，具有重要的科学价值和应用前景。参考文献：Liu, C., Wang, XZ., Shen, C. et al. A hot-emitter transistor based on stimulated emission of heated carriers. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07785-3

台式三维原子层沉积系统-ALD体积小巧，可放在实验桌上多片4，6，8 英寸样品同时沉积厚度均匀性高于99%适合复杂/ 掺杂薄膜沉积二维半导体表面沉积利器...... 随着现代半导体行业的发展，基于硅半导体的场效应晶体管（FET）的尺寸不断缩小，目前已经接近其物理极限。在新兴材料中，二维半导体可达到原子级厚度且保持高载流子迁移率，理论上可实现优异的栅极控制，因而被认为是用于下一代场效应晶体管的理想沟道材料。然而，由于二维半导体表面无悬挂键，很难在其表面集成高质量的介电层，这是目前该领域的重大难题。 为解决上述问题，华中科技大学翟天佑团队以无机分子晶体Sb2O3作为缓冲层，发明了一种在二维材料表面集成超薄高k介电层的普适性方法。利用该缓冲层法制备的HfO2/Sb2O3复合介电层可实现0.67 nm的等效氧化层厚度（EOT），是目前报道的二维晶体管介电层中zui低的。高质量的界面降低了界面态密度，由单层MoS2沟道和HfO2/Sb2O3复合介电层构成的FET在0.4 V的超低工作电压下即可获得超过106的开关比，其栅极控制效率优于目前报道的其他所有FET。该项成果以“Scalable integrationof hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors”为题发表于国际高水平期刊Nature Materials。 Sb2O3缓冲层的作用机理如下：一方面，Sb2O3可与二维半导体间形成高质量的范德华界面；另一方面，Sb2O3覆盖了二维材料原有的疏水表面，提供了高度亲水的表面，提升了与传统原子层沉积（ALD）工艺的相容性，便于集成超薄高k介电层。图1a展示了在MoS2二维半导体表面集成HfO2/Sb2O3复合介电层的过程。作者利用热蒸镀法制备了Sb2O3缓冲层，随后使用美国Arradiance公司的GEMStar系列台式原子层沉积(ALD)系统制备了致密均匀的HfO2层（图1b）。此外，作者还利用该台式ALD设备在MoS2/Sb2O3上生长了常见介电层Al2O3和ZrO2(图1c, 1d)，证明了该方法的普适性。图1. （a）在MoS2二维半导体表面集成HfO2/Sb2O3复合介电层的过程,(b)-(c)样品的AFM图像。 随后，作者用第一性原理计算研究了Sb2O3缓冲层对ALD过程的促进原理。如图2a-2b所示，H2O分子在MoS2表面的吸附距离为约3&angst ,在Sb2O3表面的吸附距离减小至约2&angst ，接近于水中氢键的长度。同时，H2O分子在Sb2O3表面的吸附能大幅高于在MoS2表面的吸附能（图2c）。上述结果表明Sb2O3缓冲层可促进ALD过程中的前驱体吸附，有助于介电层的生长。图2. H2O分子在(a)MoS2和（b）Sb2O3表面的吸附构型，（c）H2O分子在MoS2和Sb2O3表面的吸附能。 本文所使用的美国Arradiance公司的GEMStar系列台式原子层沉积系统如图3所示，在小巧的机身（78 * 56 * 28 cm）中集成了原子层沉积所需的所有功能，可容纳9片8英寸基片同时沉积。全系配备热壁，结合前驱体瓶加热，管路加热，横向喷头等设计，使温度均匀性高达99.9%，气流对温度影响减少到0.03%以下。高温度稳定度的设计不仅可在8英寸基体上实现厚度均匀的膜沉积（其厚度均匀性高于99%），而且适合对具有超高长径比孔径的3D结构进行均匀薄膜覆盖，在高达1500：1长径比微纳深孔内部也可均匀沉积。此外，该设备还具有节约前驱体原料，制备效率高，性价比高等优点。该设备已帮助国内外用户取得大量Nature、Science级别的研究成果。图3. 美国Arradiance公司生产的GEMStar系列台式三维原子层沉积系统参考文献：[1]. Scalable integration of hybrid high-κ dielectric materials on two-dimensional semiconductors. Nat. Mater., 2023, DOI:10.1038/s41563-023-01626-w

【引言】在新冠疫情大流行的背景下，从大量人群中快速筛查出受感染个体对于流行病学研究有着十分重要的意义。目前，新冠病毒诊断方法包括血清学和病毒核酸测试，主要是以分析逆转录聚合酶链反应作为金标准，此方法在检测中核酸提取和扩增程序耗时较长，很难满足对广泛人群进行筛查的要求，因此，亟需发展一种快速的监测方法应对新冠疫情。 【成果简介】近期，复旦大学魏大程教授课题组利用MicroWriter ML3小型台式无掩膜光刻机制备出基于石墨烯场效应晶体管（g-FET）的生物传感器。该传感器上拥有Y形DNA双探针（Y-双探针），可灵敏且快速的实现新冠病毒的核酸检测分析。该传感器中的双探针设计，可以同时靶向新冠病毒核酸的两个目标基因区域：ORF1ab和N基因，从而实现更高的识别率和更低的检出限（0.03份μL−1)。这一检出限比现有的核酸分析低1-2个数量，可避免混检过程中样本病毒载量较低而产生漏网之鱼，实现的混合测试。该传感器也具有快的检测速度，快的核酸检测速度约为1分钟。由于快速、超灵敏、易于操作等特点以及混合检测的能力，这一传感器在大规模范围内筛查新冠病毒和其他流行病感染者方面具有巨大的应用前景。 【图文导读】图1. 基于g-FET的Y形双探针生物传感器的制备和表征。（a）Y形双探针生物传感器进行SARS-CoV-2核酸检测的流程图。（b）选定的病毒序列和探针在检测SARS-CoV-2时所靶向的核酸。ORF1ab: 非结构多蛋白基因 S: 棘突糖蛋白基因 E: 包膜蛋白基因 M: 膜蛋白基因 N: 核衣壳蛋白基因。图中数字表示SARS-CoV-2 NC_045512在GenBank中基因组的位置。（c）封装好的器件。图中的比例尺为1 cm。（d）石墨烯通道的光学照片。（e）在石墨烯上的Cy3共轭Y型双探针。图中的比例尺为250 μm。图2. Y形双探针g-FET生物传感器进行SARS-CoV-2核酸测试的性能表现。（a）SARS-CoV-2核酸样本准备流程。（b）和（c）ΔIds/Ids0随着SARS-CoV-2 IVT-RNA增加的实时改变。（d）ΔIds/Ids0随着SARS-CoV-2 IVT-RNA或cDNA浓度的变化曲线图。（e）ΔIds/Ids0在检测到人类，SARS-CoV和SARS-CoV-2的cDNA和IVT-RNA时的反应。所有数据源自三个不同的传感器。图3. Y形DNA探针和ss-DNA探针的g-FETs生物传感器的测试表现对比。（a, b）在石墨烯上的ss-DNA探针和Y形DNA探针的AFM表征结果。（c, d）分别为ss-DNA和Y形DNA探针在g-FETs生物传感器上的示意图。（e）不同探针下ΔVDirac在SARS-CoV-2 cDNA浓度为0.03到500份/100μL的人工唾液中的变化。（f）利用Y-A探针和Y形探针的传感器的ΔVDirac随着SARS-CoV-2 cDNA浓度的变化。（g）sy-DNA浓度在1x10-15至1x10-12M的条件下，Y-A探针和A探针在0.01xPBS条件下的ΔVDirac变换。（h）暴露在浓度为1μM下的目标DNA生物传感器的ΔVDirac变化。所有数据源自三个不同的传感器。图4. 测试临床SARS-CoV-2样本结果。（a）在添加人体H1和临床P1的样本后ΔIds/Ids0随时间的变化曲线。插图中所示的是诊断P1所用的时间。（b）ΔIds/Ids0在添加P1-P7和H1-H7后的变换。图中偏上的插图为P1-P7诊断时间的箱型图，图中偏下的插图为H1-H7的ΔIds/Ids0值。（c）g-FET传感器中的的ΔIds/Ids0随着P1浓变化的实时反馈结果。（d）五合一SARS-CoV-2核酸集体检测示意图。（e）在添加阳性样本B1-B6和阴性样本A1-A6后，Y形双探针g-FETs生物传感器的ΔIds/Ids0事实变化结果。插图为在添加集体样本A6和B6后ΔIds/Ids0随时间的变换。（f）Y形双探针g-FETs生物传感器的测试速度与其他检测SARS-CoV-2核酸方法速度的对比。【结论】魏大程教授课题组所研发的Y形双探针g-FETs生物传感器，是一种适用于大规模流行病筛选的新手段，突破了传统筛选手段诊断时间长和不能混合检测的瓶颈，在流行病筛选方面有巨大的应用前景。同时，从文中也可以看到随着流行病检测领域的需求逐渐增多，如何快速开发出符合需求的生物传感器显得十分重要。由于实验过程中需要及时修改相应的参数，得到优化的实验结果，十分依赖灵活多变的光刻手段。MicroWirter ML3小型台式无掩膜光刻机可以任意调整光刻图形，帮助用户快速实现原型芯片的开发，助力流行病检测领域的研究。【参考文献】[1]. Direct SARS-CoV-2 Nucleic Acid Detection by Y-Shaped DNA Dual-Probe Transistor Assay，J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 41, 17004–17014

近日，山东大学陶绪堂教授团队使用导模法(EFG)成功制备了外形完整的4英寸(001)主面氧化镓(β-Ga2O3)单晶，并对其性能进行了分析。劳厄测试衍射斑点清晰、对称，说明晶体具有良好的单晶性，无孪晶；X射线衍射摇摆曲线显示晶体(400)面半峰全宽仅为57.57″，结晶质量较高；湿法化学腐蚀测试结果表明，晶体位错密度为1.06×104 cm-2；C-V测试确认β-Ga2O3晶体中载流子浓度为7.77×1016 cm-3。测试结果表明，该团队通过导模法获得了高质量的4英寸β-Ga2O3单晶。相关内容以“4英寸氧化镓单晶生长与性能研究”为题已在《人工晶体学报》网络首发（DOI：10.16553/j.cnki.issn1000-985x.20220831.001.）。该成果是继2019年团队获得4英寸(100)主面单晶后的又一新突破。 图1 4英寸β-Ga2O3晶体 图2 β-Ga2O3单晶(010)面劳厄衍射图图3 β-Ga2O3单晶摇摆曲线 　　此外，团队通过优化提拉法晶体生长工艺，在原有1英寸晶体基础上，成功放大到2英寸，晶体外形规整、无裂纹，晶体质量较高。晶体生长尺寸与德国IKZ及美国空军实验室相当，达到国际先进水平。 图4 提拉法生长2英寸氧化镓柱状单晶 　　山东大学晶体材料国家重点实验室在国内最早开展导模法氧化镓单晶生长，经过长期潜心攻关，从零开始，先后突破了1~4英寸氧化镓单晶生长、缺陷、掺杂、加工等关键核心技术。通过导模法、提拉法等多种晶体生长方法，生长出n型导电及半绝缘氧化镓晶体并开展了系统的晶体加工和缺陷研究，为打破国外技术封锁和产品禁运奠定了基础。 　　β-Ga2O3作为超宽禁带半导体材料，可用于制备功率器件、紫外探测器、高能射线探测器，同时也可作为GaN、ZnO等半导体的衬底材料使用。由于超高的击穿场强和巴利加优值，β-Ga2O3功率器件具有耐压高、导通损耗低、开关速度快的优点。目前，β-Ga2O3二极管及场效应晶体管器件耐压均可达几千伏，器件击穿场强已超过SiC和GaN的理论极限。 　　由于β-Ga2O3禁带宽度为4.8 eV，吸收截止边位于260 nm处，紫外透过率可达80%以上，并且具有良好的化学稳定性和热稳定性。因此，β-Ga2O3晶体自身便满足“日盲”光电器件的需求，避免了目前常用氮化物需要合金化等复杂问题。β-Ga2O3晶体因其卓越的材料性能，在深紫外光电探测以及超高压功率器件方面具有重要的应用，也是最近美国等西方国家对我国实施禁运的关键材料。

由工业和信息化部电子第五研究所提出，并主责起草的《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）功率循环试验方法》（T/CASA 015）和《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）结壳热阻瞬态双界面测试方法》（T/CASA 016）两项团体标准已完成征求意见稿的编制，根据《CASAS管理和标准制修订细则》有关规定，为保证标准的科学性、严谨性和适用性，现公开征求意见。《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）功率循环试验方法》（T/CASA 015）规定了碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）功率循环试验方法，评价器件在承受规定应力的条件下是否符合规定的循环次数。对于提升SiC MOSFET器件的可靠性评价与分析技术能力，支撑SiC MOSFET器件的可靠性改进具有重要意义。《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）结壳热阻瞬态双界面测试方法》（T/CASA 016）规定了碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）结壳热阻瞬态双界面测试方法，适用于SiC MOSFET分立器件的结壳热阻测试。具体通知如下：关于《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）功率循环试验方法》等2项团体标准征求意见的通知各有关单位：由工业和信息化部电子第五研究所提出，并主责起草的《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）功率循环试验方法》（T/CASA 015）和《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）结壳热阻瞬态双界面测试方法》（T/CASA 016）两项团体标准已完成征求意见稿的编制，根据《CASAS管理和标准制修订细则》有关规定，为保证标准的科学性、严谨性和适用性，现公开征求意见。请各有关单位及专家对本标准提出宝贵建议和意见，于2021年11月30日前以邮件的形式将《团体标准征求意见反馈表》反馈至联盟秘书处。特此通知。北京第三代半导体产业技术创新战略联盟2021年11月3日

仪器信息网讯 5月13日，日本政府在内阁会议上决定，5月20日起，原则上禁止向俄罗斯出口包括电子显微镜、原子力显微镜、量子计算机、超低温设备、真空泵等14类高科技产品。当日，日本经济产业省在官网醒目位置公布了对应通知及14种被禁高科技产品清单。据悉，5月10日，日本政府在内阁会议上决定，禁止向俄罗斯出口尖端技术及产品，其中包括量子计算机、3D打印机等相关设备及技术。本次是对限制技术产品的一次修订和补充。目前日本已停止向俄罗斯出口57种高新技术产品及技术，且之后可能会继续追加。附：禁止向俄出口尖端技术产品名单1）用于精炼石油的催化剂2）量子计算机以及其他利用量子特性的设备及其附属设备和部件3）电子显微镜、原子力显微镜和其他显微镜以及设计成与这些显微镜一起使用的设备4）积层塑造用装置(3d打印机)以及用于该装置的粉末状金属和金属合金5）用于制造有机发光二极管、有机场效应晶体管和有机太阳能电池的设备6）用于制造微型机电系统的装置7）氢(仅限于利用太阳能、风能等其他可再生能源制造的产品)为原料的燃料和制造转换效率高的太阳能电池的装置8）真空泵和真空计(量子技术相关)9）为极低温设计的冷却设备及其附属设备及零部件(量子技术相关)10）用于从集成电路中移除盖子和封装材料的装置11）量子收率高的光电探测器(量子技术相关)12）机床及其零部件及机床用数控装置13）提高功能使电磁波探测变得困难的材料(超材料)，由几乎相等比例的多种元素构成的合金(高熵合金)等其他尖端材料(部分与量子技术有关)14）导电性高分子、半导电性高分子以及具有电场发光性质的高分子

【科学背景】过渡金属二硫化物（TMDs）作为二维材料，在下一代电子集成电路和光子集成电路中显示出巨大潜力。其中，菱面层状（3R）TMDs因其优异的电流密度和高载流子迁移率成为研究热点。然而，生长大尺寸单晶3R-TMDs面临着表面外延生长的挑战，这限制了层数和堆垛相位的精确控制。为了应对这一问题，北京大学刘开辉教授，中国人民大学刘灿副教授和中科院物理研究所张广宇研究员等人合作在“Science”期刊上发表了题为“Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition-metal dichalcogenide single crystals”的最新论文。科学家们提出了一种 “晶格传质-界面外延”的外延策略，成功实现了晶片尺度、厚度可控的3R-TMD单晶的通用生长。通过这种方法生长的3R-MoS2薄膜表现出高结晶度，显著提升了场效应晶体管阵列的性能，包括高再现性和超越行业标准的载流子迁移率。此外，厚3R-TMD通过差频发生过程实现了近红外波长转换和显著的非线性光学增强，展示出在片上集成2D晶体管和非线性光学器件方面的广泛应用潜力。这些成果有望推动3R-TMDs在后摩尔定律时代的纳米电子学、非挥发性存储器、神经形态计算、太阳能收集和量子光源等领域的前沿技术发展。【科学亮点】（1）实验首次采用“晶格传质-界面外延”的外延策略，成功实现了晶片尺度、厚度可控的菱面层状（3R）过渡金属二硫化物（TMD）单晶生长。（2）实验通过此策略，得到了以下几个关键结果：&bull 实现了高结晶度的3R-MoS2薄膜生长，显著提升了场效应晶体管（FET）阵列的性能，包括超过IRDS设定的高迁移率基准。&bull 成功实现了近红外波长转换和厚3R-TMD DFG过程中的显著非线性光学增强。&bull 预计这些3R-TMD单晶将成为一个多功能的材料平台，用于片上集成2D晶体管和非线性光学器件，推动其在后摩尔定律纳米电子学、非挥发性存储器、神经形态计算、太阳能收集、片上非线性光学器件和量子光源技术中的应用前沿。【科学图文】图1：3R-TMDs的表面和界面外延示意图。图2. 3R-MoS2多层单晶的表征。图3. 3R-MoS2及其合金单晶的通用外延研究。图4. 3R-MoS2 FETs的测量。图5：3R-MoS2单晶的DFG测量。【科学结论】本文通过创新的界面外延策略，实现了晶片尺度、厚度可控的菱面层状（3R）过渡金属二硫化物（TMD）单晶的大规模生长。传统表面外延法面临层间相互作用弱、层数控制困难的挑战，而本研究通过在单晶Ni衬底上持续供给金属和硫属元素，确保了3R堆垛序列的一致性和厚度的精确控制，从而获得了高结晶度和相位纯度的3R-TMD薄膜。这不仅显著提升了薄膜的电学性能，如高迁移率的场效应晶体管（FET）性能和非线性光学效应的增强，还为在电子与光学器件领域的深入研究开辟了新的可能性。本文的创新策略不仅适用于3R-TMDs，还为其他功能材料的制备提供了新的思路和方法。通过在界面控制的精细化处理下，不仅可以优化材料的物理特性，还可以定制化设计材料的结构和功能，进一步拓展了材料科学与工程中的应用前景。此外，通过3R-TMD单晶在能源转换、信息存储和量子技术等领域的潜在应用，本研究还提供了一个重要的实例，展示了如何通过基础科学的探索和工程技术的创新，推动材料科学领域的发展和进步。文献信息：Biao Qin et al. ,Interfacial epitaxy of multilayer rhombohedral transition-metal dichalcogenide single crystals.Science385,99-104(2024).DOI:10.1126/science.ado6038

长期以来，大规模可靠制备高性能有机电化学晶体管（organic electrochemical transistor，OECT）是领域内的瓶颈问题。相对于普通的薄膜晶体管，要实现高性能的 OECT，需要对器件进行严格封装和图案化，以尽量避免电解质和源漏电极的直接接触产生寄生电容，这直接导致了冗长的制备流程、高昂的制备成本等系列问题。另外，OECT 在稳定性和 N 型性能上亟需大幅提升，以契合产业化需求。近期，电子科技大学（以下简称“电子科大”）和美国西北大学等团队合作，设计了一种兼容低成本制备流程的新型垂直结构，实现了具有更小体积、更高跨导、更优循环特性的 OECT。具体来说，相对于传统平面结构，在相同面积下，实现了 N 型器件跨导 1000 余倍的提升（即实现相同跨导，器件面积可缩小 1000 余倍）；在低于 0.7V 的驱动电压下，实现了 5 万次以上的稳定循环。该研究解决了 OECT 在性能、集成度及稳定性方面的系列问题，为 OECT 的大规模可靠制备及应用拓展奠定了坚实的基础。审稿人对该论文评价道：“本文展示了基于 P 型和 N 型 OECT 垂直架构的有趣示例。结果是原始的、新颖的，同时 N 型和 P 型特性非常平衡且特别稳定。”图丨相关论文（来源：Nature）近日，相关论文以《用于互补电路的垂直有机电化学晶体管》（Vertical organic electrochemical transistors for complementary circuits）为题发表在 Nature 上[1]。电子科技大学自动化工程学院黄伟教授为该论文的共同一作兼通讯作者，程玉华教授、美国西北大学安东尼奥法切蒂（Antonio Facchetti）教授、托宾・J・马克斯（Tobin J. Marks）教授及郑丁研究助理教授为论文共同通讯作者。N 型 OECT 循环 5 万次仍无明显衰退此前，基于 N 型的 OECT 的循环稳定一般不会超过千次。该研究解决最重要的难题在于其性能异常稳定，特别是对于 N 型的 OECT，在低于 0.7V 的驱动电压条件下，垂直型 OECT 在循环 5 万次条件下仍无明显衰退。黄伟表示：“器件性能的数量级提升，对未来技术的产业转化奠定了良好的基础。”由于制备高性能的 OECT 程序比较繁复、制备时间长、制备成本也高，因此对相关设备的资金投入也会比较高。该工艺兼容了低成本溶液制备流程，不需要比较复杂的光刻工艺（包括干法和湿法刻蚀工艺），采用直接光照交联以及简单的金属掩模板蒸镀电极的方式，就可以实现比以前性能更优异的晶体管性能。特别是在单位面积的性能上，由于垂直堆叠结构的独特性，在占用同样面积的情况下，垂直结构的跨导对于 P 型 OECT 来说，比平面结构增加了十几倍；对于 N 型 OECT 来说，则有上千倍的增加。黄伟指出，量级的增加意味着如果想实现之前的 OECT 的性能，在体积上可以做得更小。因此，对于制备轻便且高度集成的传感器非常有优势。图丨新型垂直器件结构表征及其性能（来源：Nature）该研究源于黄伟在做有机电化学晶体管相关研究时，偶然发现的“反常现象”。有意思的是，当时该团队并不认为该种垂直堆叠结构的器件会工作，因此相关测试是作为原始参照组来进行的。一方面，对于有机电化学晶体管来说，需要离子完全渗入到半导体中，而垂直堆叠的结构中由于沟道完全被上电极覆盖，离子只能从边缘注入，这会导致离子传输路径受限，直观上掺杂难度极大。黄伟指出，一般来说，若电极直接设计在 OECT 的半导体上，其被离子掺杂后会导致明显的微观结构变化，因此必然对电极的接触造成损伤。前人做出的垂直结构在损失部分有效沟道的前提下，采用较为复杂的光刻手段将上电极固定。图丨新型垂直结构构建的垂直电路及其输出特性（来源：Nature）该研究由电子科大、美国西北大学、云南大学、浙江大学等多个团队共同完成，其中美国西北大学研究的重点方向是化学和材料，电子科大团队则偏重器件和测试方面。黄伟表示，器件结构设计得益于新材料的合成，其特点在于它能够同时导电子（空穴）及离子，也就是说，它的工作原理类似神经突触，电学信号转化为化学信号，然后再转为电学信号的器件。在课题组成员研究初期“不相信”的问题上，审稿人也提出了同样的疑问：这样的结构得到这么好的性能，真的是因为离子完全注入了沟道吗？为了回答离子注入的问题，该团队花了很多精力不断地设计对比实验，用新材料、新结构最终证明了该现象的正确性及普适性。有望应用于柔性电子、仿生传感、脑机接口等领域由于 OECT 具备良好的生物兼容性，因此有望应用于柔性电子、仿生传感、生物化学及电信号（包括脑机接口等）方向。一方面，它的工作原理类似神经突触，能模拟神经突触的传感功能，例如像人类皮肤那样能感受到温度、压力、湿度，以及探测到心电、脑电等人体信号等。该器件由于集成度高，相对于原来的平面结构，可在达到同样的性能的前提下缩小千倍，有利于在探测高精度的脑部活动或神经活动时避免/减小对组织的损伤。另一方面，由于它可以做得轻便、柔软，还可以拓展到仿生机器人对外界环境的传感，以及对生命健康的探测。黄伟认为，该技术可能最先应用在柔性仿生传感领域。此外，由于该器件和神经突触类似，其也有望应用于人工智能硬件。“它可以通过器件与器件之间相连，形成神经网络。这里的神经网络是基于模拟生物或生物的神经网络形成的网络硬件。”黄伟说道。下一步，该团队计划将器件的性能、稳定性进一步提升。目前阶段，课题组成员还没有系统地探讨它的柔性及可拉伸特性，他们希望未来能尽量往皮肤或器官上贴合。此外，他们将会把该新型器件与后端系统进行集成，形成小型、快速、准确的传感特色，进而实现低功耗柔性可拉伸的便携传感系统。从光学工程到自动化工程，致力于将研究成果进一步集成黄伟从南开大学物理学院本科毕业后，在电子科大光电科学与工程学院完成了博士阶段的学习（师从于军胜教授），期间前往美国西北大学联培，研究方向偏材料及器件。随后，黄伟在西北大学材料科学与工程中心进行了博后训练，并担任研究助理教授。随着研究的深入，他希望能够将研究成果进一步推广应用，形成传感设备、测试系统，以期实现研究成果的落地。因此，在西北大学进行博后研究和担任研究助理教授后，2021 年，他选择回到母校电子科大任教，加入自动化工程学院测试技术与仪器研究所。此前，黄伟与团队解决了柔性可拉伸性与传感信号输出稳定性同步提升的难题[2,3]。他们通过将先进柔性可拉伸场效应管制备技术与原位“传感与放大一体化”集成方法的融合，进一步结合复合互补电路与应力释放制备工艺，实现了在复杂应力条件下，针对关键生理参数的稳定传感信号输出。该课题组的主要研究方向集中在柔性仿生传感技术、有机电化学晶体管以及柔性可拉伸电子器件。一方面，在基础的元器件开发上，他们期望通过引入更多性能好的传感元器件，推进功耗、灵敏度方面的进展。另一方面，基于现有的元器件进一步地集成和驱动，朝着疾病诊断、健康管理等应用方向发展。在黄伟看来，做科研的关键品质之一是长期保持好奇心。因此，即便实验失败了，也好奇失败的具体原因。“科研工作者追求的并不是表面的结果，而是从现象背后的原理到应用都高保真的全过程。对科学问题的探索，我们要像挖金矿那样直到‘挖不动’为止。”他说。面对研究中失败的结果，黄伟也有一套自己的科学价值观。他表示，爱迪生在发明电灯泡时用了六千多种材料，尝试了七千多次才获得最后的成功。因此，即便有 1% 的希望，也要坚持和勇于尝试。此外，他还指出，由于个人的思想和经验非常局限，因此通过学科交叉定期地进行“头脑风暴”，可以从不同的视角提出新的创意，这也是目前工科发展的一大特色。参考资料：1.Huang, W., Chen, J., Yao, Y. et al. Vertical organic electrochemical transistors for complementary circuits. Nature 613, 496–502 (2023). 2.Chen, J., Huang, W., Zheng, D. et al. Highly stretchable organic electrochemical transistors with strain-resistant performance.Nature Materials 21, 564–571 (2022). 3.Yao,Y.,Huang,W.et,al.PNAS,118,44,e2111790118(2021).

“新材料之 王”是什么？ 石墨是的一种同素异形体，质软，黑灰色，有油腻感。高定向热解石墨(highly oriented pyrolytic graphite)是指热解石墨，经高温处理使性能接近单晶石墨的一种新型石墨，简称HOPG。在2004年来自英国曼彻斯特大学的科学家们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，把石墨片一分为二，不断重复操作，于是薄片越来越薄，最 后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。（▲三层碳原子构成的石墨结构分子示意图）在分离出单层石墨烯之前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，石墨烯的发现立即震撼了凝聚体物理学界。但是实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是一层甚至几层石墨烯。（▲由石墨烯构成的铅笔芯，图片取自央广网科普|习主席访英为何青睐&ldquo 奇迹材料&rdquo 石墨烯？2015-10-23） 石墨烯结构特点碳原子有4个价电子，石墨烯内部碳原子的3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成&pi 键，新形成的&pi 键呈半填满状态。形成的石墨烯为复式六角形晶格，每个元胞中有两个碳原子，每个原子与最近邻的 3个原子间形成3个&sigma 键，剩余的一个p电子垂直于石墨烯平面，与周围原子形成&pi 键。（▲石墨烯结构示意图，石墨烯的蜂窝状晶格包括两层互相透入的三角形晶格，每个子晶格A的格点都位于其他子晶格B确定的三角形中央，共同形成石墨烯的蜂窝状晶格）（▲石墨烯结构的波失空间，石墨烯的晶体结构与倒格子，所谓倒格子是与晶格空间相对应傅里叶变换出来的波矢空间，或称动量空间）（▲石墨烯能带结构图）我们可以看出在 K 和 K&rsquo 点附近，费米面附近的电子能量E与波矢 k成线性的关系，E= F|hk|v , 其中k为准粒子动量，Vf =106 m/s，为费米速度。色散关系是近似线性的，这等效于动量与能量的关系为线性，这也就表明电子的速度为常量，并不受动量与动能的影响。在这种情况下，薛定谔方程来描述粒子的运动已经无效了，我们需要运用引入了相对论效应的狄拉克方程来描述。关于石墨烯非常高的电子迁移率的原因也是由于狄拉克点的存在，由于量子隧穿效应的影响，电子有概率穿过高于自身能量的势场。石墨烯的优势有什么？由于存在这样的特殊结构，石墨烯具备了超高的载流子迁移性，也就具备了良好的导电性和极高的信噪比以及时间分辨率。所有性能都基于结构，所以，石墨烯同样还具备轻盈，高导热性，做同样的功所消耗电力少，化学反应性强，强度高，比表面积大，高弹性高硬度等特点，发热少等优点。这么多优点又如此应用广泛，难怪石墨烯被称为&ldquo 黑金&rdquo ，是&ldquo 新材料之 王&rdquo ！2004年被发现，发现者2010年就获得了诺贝尔物理学奖，连我们的习大大都去参观了曼彻斯特大学的石墨烯研究所呢！在笔者看来最重要的一个特点是，单层的石墨烯近乎透明，对于应用场景的限制大大减少了。石墨烯如何制备？石墨烯之父采用的是机械剥离法，这个方法较为简便，将天然石墨块放在干净的二氧化硅SiO2上，上方用透明胶带反复剥离，从而得到石墨薄片。根据菲涅尔定律，在外部光源照射下，石墨烯与SiO2基底之间会因反射光强不同呈现光学反差，并且这种光学反差随着石墨样品厚度增加有着明显改变，借此办法来确定石墨烯是否为单层或多层。这个方法虽然简便，但不适合大规模生产。除此之外还有氧化还原法, 取向附生法, 碳化硅外延法, 赫默法以及化学气相沉积法(CVD)。CVD法简单说来就是用含碳有机气体为原料进行气相沉积制得石墨烯薄膜的方法，这也是目前科研机构制备石墨烯常用的方法。（▲化学气相沉积法CVD示意图）例如以铜Cu或镍Ni为基底，高温加热，并辅以甲烷作为碳源补充，使甲烷中的碳原子脱去氢，在基底上形成石墨烯。不同材质的基底对于碳原子溶解性不同，所以会产生&ldquo 石墨烯岛&rdquo 或&ldquo 石墨烯膜&rdquo ，通过控制气压高低可以获得单层石墨烯或多层石墨烯。 石墨烯的应用极高的信噪比和时间分辨率让石墨烯在生物电信号采集时具有极大的优势。目前的生物电传感器主要集中在膜片钳和微电极阵列，前者具备较高的空间分辨率，信噪比较好，但对生物体有损伤；后者没有损伤且可长时间记录生物体膜外信号，但是信噪比和空间分辨率相对较低。场效应晶体管是一种很好的代替微电极阵列的记录工具，利用场效应晶体管可以很好的记录小鼠大脑皮层或者海马区的神经电生理信号，也可以将其刺穿细胞膜来记录膜内电势差。这种技术信噪比较高，集成度也不错。石墨烯场效应晶体管和传统的场效应晶体管类似，但需要在石墨烯的表面做相应的修饰，使其能特异性识别某种分子或物质这样就既可以提高生物相容性和灵敏度，又能把石墨烯载流子迁移率高和载流子浓度高的特点发挥得淋漓尽致。上图为60通道石墨烯微电极阵列示意图，PI：1-&mu m-thick light-sensitive polyimide，即1微米厚光敏聚酰亚胺1，以此装置记录大鼠胚胎分离的神经细胞电生理活动。上图为石墨烯晶体管进行细胞电信号记录示意图，在柔性聚酰亚胺基底和透明基底(蓝宝石，玻璃，SiO2 /Si) 上制备了石墨烯液栅晶体管器件如上图所示，并用其记录小鼠初级海马神经元的神经信号2，因石墨烯材料透明的特点，同时结合倒置光学显微镜，观察细胞的光学特征。上图是石墨烯晶体管上培养的神经元细胞图，培养21天后的神经元进行免疫荧光染色2，DAPI(红色)和anti-Synapsin(绿色)染色，分别胞体和突触囊泡）机械剥离的石墨烯对心肌细胞电生理信号的记录3，A：在不同water gate potentias下记录的数据。蓝色、绿色和红色分别代表在 +0.05、+0.10 和 +0.15 V 下所记录。相应的灵敏度分别为 2020、398 和 2290 &mu S/V。B：所选栅极电位的代表性扩展峰值。蓝色类似于在石墨烯 FET 的 p 型器件极性处记录的结果，红色峰代表在n型器件极性处记录的结果，绿色峰代表在Gra-FET的狄拉克点附近记录的结果。上图为16通道石墨烯晶体管阵列记录HL-1细胞电生理信号4， 比例尺为100 &mu m。一个石墨烯场效应晶体管阵列中8个晶体管在数十秒（h）和数百秒(i)内同时记录电流的情况。图：细胞相容性测试，37摄氏度下，不同浓度纯石墨烯（上）和氧化石墨烯（下）处理Vero细胞后的存活率情况5。 石墨烯最 新应用研究近日，来自曼彻斯特大学的纳米医学实验室的研究者们利用利用石墨烯近乎透明的特点，监测脑缺血小鼠大脑皮层的电信号，并同时监测皮层血流灌注量变化情况，因为石墨烯近乎透明的性质，在激光成像下不会产生激光伪影（如下图所示）。（▲利用石墨烯透明的特点，监测脑缺血小鼠大脑皮层的电信号，并同时监测皮层血流灌注量变化情况，由RWD RFLSI Ⅲ激光散斑血流成像系统采集）总结石墨烯具备了许多神经电极活性材料的特性，如良好的相容性、化学稳定性、柔韧性、光学透明性和高导电性等，为更精 准的神经电生理研究提供了新的选择。识别下方二维码快来免费申请试用吧* 敬请期待下期内容，脑卒模型下的神经电生理相关特点。【参考文献】1：Du X, Wu L, Cheng J, Huang S, Cai Q, Jin Q, Zhao J. Graphene microelectrode arrays for neural activity detection. J Biol Phys. 2015 Sep 41(4):339-47.2. Veliev F, Han Z, Kalita D, Brianç on-Marjollet A, Bouchiat V, Delacour C. Recording Spikes Activity in Cultured Hippocampal Neurons Using Flexible or Transparent Graphene Transistors. Front Neurosci. 2017 11:466.3. Cohen-Karni T, Qing Q, Li Q, Fang Y, Lieber CM. Graphene and nanowire transistors for cellular interfaces and electrical recording. Nano Lett. 2010 Mar 10 10(3):1098-102.4. Hess LH, Jansen M, Maybeck V, Hauf MV, Seifert M, Stutzmann M, Sharp ID, Offenhä usser A, Garrido JA. Graphene transistor arrays for recording action potentials from electrogenic cells. Adv Mater. 2011 Nov 16 23(43):5045-9, 4968. 5. Sasidharan A, Panchakarla LS, Chandran P, Menon D, Nair S, Rao CN, Koyakutty M. Differential nano-bio interactions and toxicity effects of pristine versus functionalized graphene. Nanoscale. 2011 Jun 3(6):2461-4.

天眼查显示，上海积塔半导体有限公司“用于制造半导体装置的方法以及半导体装置”专利公布，申请公布日为2024年7月19日，申请公布号为CN118366850A。背景技术与硅(Si)相比，作为第三代半导体材料代表的碳化硅(SiC)具有大禁带宽度、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速率和强抗辐照性等更优越的电气特性。凭借SiC的电气特性，能够开发出更适用于高压、高温、高频、强辐射等应用领域的半导体装置，其中，SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field-EffectTransistor，MOSFET)更是倍受关注。常用在高压低功耗场景下的SiC MOSFET分为沟槽型SiC MOSFET和平面型SiCMOSFET。垂直结构的平面型SiC MOSFET由于存在结型场效应晶体管(Junction Field-Effect Transistor，JFET)区，使得半导体装置的输出直流电阻较大，限制了半导体装置的功率阈值。此外，平面型SiC MOSFET有着因沟道离子注入导致的沟道迁移率退化问题。相比于传统的平面型SiC MOSFET，沟槽型SiC MOSFET没有JFET区，可以避免寄生JFET效应(例如JFET区产生的额外电阻)，能够实现提高的晶圆密度，同时还具有更高的阻断电压、更好的开关特性和更低的导通损耗等改善的电学性能。发明内容本公开涉及用于制造半导体装置的方法以及半导体装置。一种用于制造半导体装置的方法，该方法包括：提供半导体基底，在半导体基底中形成有沟槽；用飞秒激光束照射半导体基底的与沟槽的第一部分邻接的第二部分，使得半导体基底的第二部分发生非热熔化；以及在完成飞秒激光束的照射之后，对半导体基底进行热氧化处理，使得半导体基底的第二部分形成氧化层。

第三代半导体材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)等为代表的宽禁带半导体材料。与第一、二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.3eV)，亦被称为高温半导体材料。从目前第三代半导体材料及器件的研究来看，较为成熟的第三代半导体材料是碳化硅和氮化镓，而氧化锌、金刚石、氮化铝等第三代半导体材料的研究尚属起步阶段。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，被行业称为第三代半导体材料的双雄。基于第三代半导体的优良特性，其在通信、汽车、高铁、卫星通信、航空航天等应用场景中颇具优势。其中，碳化硅、氮化镓的研究和发展较为成熟。以SiC为核心的功率半导体，是新能源汽车充电桩、轨道交通系统等公共交通领域的基础性控件；射频半导体以GaN为原材料，是支撑5G基站建设的核心；第三代半导体在消费电子、工业新能源以及人工智能为代表的未来新领域，发挥着重要的基础作用。近年来，随着新能源汽车的兴起，碳化硅IGBT器件逐渐被应用于超级快充，展现出了强大的市场潜力，第三代半导体发展进入快车道。随着第三代半导体，特别是氮化镓和碳化硅的市场爆发，相关标准也逐渐出台。无规矩不成方圆，只有有了规矩，有了标准，这个世界才变得稳定有序！标准是科学、技术和实践经验的总结。为在一定的范围内获得最佳秩序，对实际的或潜在的问题制定共同的和重复使用的规则的活动，即制定、发布及实施标准的过程，称为标准化。为规范第三代半导体材料的发展，相关组织和机构也出台了一系列的标准。（以下第三代半导体标准只统计其作为宽禁带半导体材料的现行相关标准）碳化硅(SiC)碳化硅（SiC）材料是功率半导体行业主要进步发展方向，用于制作功率器件，可显着提高电能利用率。可预见的未来内，新能源汽车是碳化硅功率器件的主要应用场景。特斯拉作为技术先驱，已率先在Model 3中集成全碳化硅模块，其他一线车企亦皆计划扩大碳化硅的应用。随着碳化硅器件制造成本的日渐降低、工艺技术的逐步成熟，碳化硅功率器件行业未来可期。相关标准如下，标准号标准名称CASA 001-2018碳化硅肖特基势垒二极管通用技术规范CASA 003-2018p-IGBT器件用4H-SiC外延晶片CASA 004.1-20184H-SiC衬底及外延层缺陷 术语CASA 004.2-20184H-SiC衬底及外延层缺陷 图谱CASA 006-2020碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管通用技术规范CASA 007-2020电动汽车用碳化硅（SiC）场效应晶体管（MOSFET）模块评测规范CASA 009-2019半绝缘SiC材料中痕量杂质浓度及分布的二次离子质谱检测方法T/IAWBS 013-2019半绝缘碳化硅单晶片电阻率非接触测量方法T/IAWBS 012-2019碳化硅单晶抛光片表面质量和微管密度测试方法-共焦点微分干涉光学法T/IAWBS 011-2019导电碳化硅单晶片电阻率测量方法-非接触涡流法T/IAWBS 010-2019碳化硅单晶抛光片表面质量和微管密度检测方法-激光散射检测法T/IAWBS 008-2019SiC晶片的残余应力检测方法T/IAWBS 007-20184H碳化硅同质外延层厚度的红外反射测量方法T/IAWBS 006-2018碳化硅混合模块测试方法T/IAWBS 005-20186英寸碳化硅单晶抛光片T/IAWBS 003-2017碳化硅外延层载流子浓度测定汞探针电容-电压法T/IAWBS 002-2017碳化硅外延片表面缺陷测试方法T/IAWBS 001-2017碳化硅单晶DB13/T 5118-2019 4H碳化硅N型同质外 延片通用技术要求DB61/T 1250-2019 SiC（碳化硅）材料半导体分立器件通用规范GB/T 32278-2015 碳化硅单晶片平整度测试方法GB/T 30867-2014 碳化硅单晶片厚度和总厚度变化测试方法GB/T 30868-2014 碳化硅单晶片微管密度的测定 化学腐蚀法SJ/T 11501-2015 碳化硅单晶晶型的测试方法SJ/T 11503-2015 碳化硅单晶抛光片表面粗糙度的测试方法SJ/T 11504-2015 碳化硅单晶抛光片表面质量的测试方法SJ/T 11502-2015 碳化硅单晶抛光片规范SJ/T11499-2015 碳化硅单晶电学性能的测试方法SJ/T 11500-2015碳化硅单晶晶向的测试方法GB/T 31351-2014碳化硅单晶抛光片微管密度无损检测方法GB/T 30656-2014碳化硅单晶抛光片GB/T 30866-2014碳化硅单晶片直径测试方法氮化镓(SiC)氮化镓，是氮和镓的化合物，是一种直接能隙的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器的条件下，产生紫光（405nm）激光。GaN材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。目前，随着 MBE技术在GaN材料应用中的进展和关键薄膜生长技术的突破，成功地生长出了GaN多种异质结构。用GaN材料制备出了金属场效应晶体管（MESFET）、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管（MODFET）等新型器件。标准号标准名称CASA 010-2019GaN材料中痕量杂质浓度及分布的二次离子质谱检测方法T/IAWBS 013—2019半绝缘碳化硅单晶片电阻率非接触测量方法T/GDC 69—2020氮化镓充电器GB/T 39144-2020 氮化镓材料中镁含量的测定 二次离子质谱法GB/T 37466-2019氮化镓激光剥离设备GB/T 37053-2018 氮化镓外延片及衬底片通用规范GB/T 36705-2018 氮化镓衬底片载流子浓度的测试 拉曼光谱法GB/T 32282-2015 氮化镓单晶位错密度的测量 阴极荧光显微镜法GB/T 32189-2015 氮化镓单晶衬底表面粗糙度的原子力显微镜检验法GB/T 32188-2015 氮化镓单晶衬底片x射线双晶摇摆曲线半高宽测试方法GB/T 30854-2014 LED发光用氮化镓基外延片蓝宝石（Al2O3） 蓝宝石晶体属于人造宝石晶体，主要应用于制作LED灯的关键材料，也是应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的重要窗口材料。蓝宝石晶体是一种氧化铝的单晶，又称为刚玉。蓝宝石已成为一种重要的半导体衬底材料。标准号标准名称SJ/T 11505-2015 蓝宝石单晶抛光片规范GB/T 35316-2017 蓝宝石晶体缺陷图谱GB/T 34612-2017 蓝宝石晶体X射线双晶衍射摇摆曲线测量方法GB/T 34504-2017 蓝宝石抛光衬底片表面残留金属元素测量方法GB/T 34213-2017 蓝宝石衬底用高纯氧化铝GB/T 34210-2017 蓝宝石单晶晶向测定方法GB/T 33763-2017 蓝宝石单晶位错密度测量方法SJ/T 11505-2015 蓝宝石单晶抛光片规范GB/T 31353-2014 蓝宝石衬底片弯曲度测试方法GB/T 31352-2014 蓝宝石衬底片翘曲度测试方法GB/T 31093-2014 蓝宝石晶锭应力测试方法GB/T 31092-2014 蓝宝石单晶晶锭GB/T 30858-2014 蓝宝石单晶衬底抛光片GB/T 30857-2014 蓝宝石衬底片厚度及厚度变化测试方法DB44/T 1328-2014 蓝宝石图形化衬底片测试技术规范GB/T 14015-1992 硅-蓝宝石外延片其他标准第三代半导体被广泛的应用于IGBT功率器件中和发光材料中，对此，我们盘点了宽禁带半导体、功率器件和光电子器件标准。标准号标准名称CASA 002-2021宽禁带半导体术语T/IAWBS 004-2017电动汽车用功率半导体模块可靠性试验通用要求及试验方法T/IAWBS 009-2019功率半导体器件稳态湿热高压偏置试验GB/T 29332-2012半导体器件　分立器件　第9部分：绝缘栅双极晶体管(IGBT)GB/T 36360-2018 半导体光电子器件 中功率发光二极管空白详细规范GB/T 36358-2018 半导体光电子器件 功率发光二极管空白详细规范GB/T 36357-2018 中功率半导体发光二极管芯片技术规范GB/T 36356-2018 功率半导体发光二极管芯片技术规范GB/T 36359-2018 半导体光电子器件 小功率发光二极管空白详细规范SJ/T 11398-2009 功率半导体发光二极管芯片技术规范SJ/T 11400-2009 半导体光电子器件 小功率半导体发光二极管空白详细规范SJ/T 11393-2009 半导体光电子器件 功率发光二极管空白详细规范现行SJ/T 1826-2016 半导体分立器件 3DK100型ＮＰＮ硅小功率开关晶体管详细规范SJ/T 1834-2016 半导体分立器件 3DK104型ＮＰＮ硅小功率开关晶体管详细规范SJ/T 1839-2016 半导体分立器件 3DK108型ＮＰＮ硅小功率开关晶体管详细规范SJ/T 1833-2016 半导体分立器件 3DK103型ＮＰＮ硅小功率开关晶体管详细规范SJ/T 1831-2016 半导体分立器件 3DK28型ＮＰＮ硅小功率开关晶体管详细规范现行SJ/T 1830-2016 半导体分立器件 3DK101型ＮＰＮ硅小功率开关晶体管详细规范SJ/T 1838-2016 半导体分立器件 3DK29型ＮＰＮ硅小功率开关晶体管详细规范SJ/T 1832-2016 半导体分立器件 3DK102型ＮＰＮ硅小功率开关晶体管详细规范IEC 60747半导体器件QC/T 1136-2020 电动汽车用绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块环境试验要求及试验方法JB/T 8951.1-1999 绝缘栅双极型晶体管JB/T 8951.2-1999 绝缘栅双极型晶体管模块 臂和臂对需要注意的是，CASA和IAWBS属于团体标准、GB属于国家标准、DB是地方标准。仪器信息网为了更好地服务半导体行业用户，特邀请您参与问卷调研，麻烦大家动动小手完成问卷，参与即得10元话费！活动结束还将择优选择10名认真填写用户送出50元话费！！！http://a72wfu5hktu19jtx.mikecrm.com/zuXBhOy

一个国际联合研究小组近日宣布，通过在石墨烯中加入硼原子的方式，他们开发出一种灵敏度极高的气体传感器。该装置能“嗅”出空气中浓度极低的有害气体，在人们还未察觉时发出警报。该研究还有助于改善锂离子电池和场效应晶体管的性能。　　用石墨烯制成的气体传感器已具有很高灵敏度，但科学家们并不想止步于此，希望通过在石墨烯中掺入其他元素的方式让其性能得到进一步提升。　　美国宾夕法尼亚州立大学物理学、化学和材料学教授莫里西欧特伦斯经过不断更换掺入元素，成功合成了1厘米见方的高品质掺硼石墨烯片。为防止硼化合物暴露在空气后快速分解，他们研制中用到了类似起泡器的化学气相沉积系统。　　核心部件制成后，被送往本田研究院的美国公司进行组装。2010年诺贝尔物理学奖获得者、英国曼彻斯特大学科学家康斯坦丁诺沃肖洛夫的实验室负责研究传感器的传输机制。此外，比利时、日本和中国的科学家也促成了这项研究。　　测试显示，新的气体传感器能够探测到浓度极低的有害气体分子，如空气中含量为十亿分之一的氮氧化合物和百万分之一的氨气，灵敏度比单纯用石墨烯制成的气体传感器要分别高出27倍和1000倍。　　负责此项研究的本田研究所首席科学家阿维迪克哈瑞泰元认为，新方法开辟了一条制造超高灵敏度气体传感器的新途径。该技术未来极有可能突破1000的五次方分之一检出限，在灵敏度上，比目前最先进的气体传感器高6个数量级。　　未来这种传感器有望在科学实验和工业中获得广泛的应用，无论是有毒有害气体、超标排放的汽车尾气，还是大气污染中的氮氧化合物都会在它面前一一显出原形。研究人员称，除检测有毒和易燃气体外，这种掺硼的石墨烯理论上还能帮助改建锂离子电池和场效应晶体管。　　相关论文发表在11月2日出版的《美国国家科学院院刊》。 来源：科技日报

近日，湘潭大学湖南先进传感与信息技术创新研究院曹觉先教授和黄凯教授团队在纳米材料领域国际著名期刊《美国化学学会—纳米》（ACS Nano，IF=18.027）在线发表了题为“碳纳米管晶体管结合胶体量子点光敏栅极的高外量子效率光电探测器”（Carbon Nanotube Transistor with Colloidal Quantum Dot Photosensitive Gate for Ultra-High External Quantum Efficiency Photodetector）。论文第一作者为研究院2020级博士研究生韩建富，曹觉先教授和黄凯教授为共同通讯作者，湘潭大学为论文的第一单位。PbS胶体量子点是开发下一代高性能近红外光电探测器的有力候选者。然而，由于配体隔离以及表面缺陷的存在，PbS量子点通常表现出低的载流子迁移率，这限制了量子点光电子器件性能的进一步提升。针对这一问题，曹觉先教授和黄凯教授团队通过合理的设计，将PbS胶体量子点光电二极管和碳纳米管薄膜场效应晶体管成功结合，实现了一种具有光敏感栅极的晶体管型近红外探测器。光生电子与空穴在负栅压与内建电场的双重作用下能快速分离与转移，聚积在栅极电介质层界面的光生电子能产出等效栅电容效应开启碳基晶体管，从而实现光信号向电信号的转换。该项研究提出在光电转换器件中光学模块和电学模块相互分离的结构，可以同时发挥PbS量子点光学和碳纳米管电学的优势。该文报道的光电探测器在950 nm近红外光下的响应度和探测率分别为41.9 A/W和3.04×1011Jones。更重要的是，由于碳基场效应晶体管的放大功能，通过二次电子的增益效应，该器件的外量子效率（EQE）达到5470%。此外，器件还展现出灵活可调的光响应，通过栅电压可在大的范围内控制调节响应性能参数。本文中光电探测器的独特结构和出色性能，为下一代光电探测器件的研究与开发提供了新的思考。论文得到了国家重点研发计划项目以及湖南省教育厅重点项目的资助。探测器阵列∣单光电探测器结构∣探测机理∣器件响应度与外量子效应湖南先进传感与信息技术创新研究院成立于2018年，由湘潭大学与北京大学合作共建，是集人才培养、科学研究、技术开发、成果转移转化于一体，治理结构完善、运行机制灵活、有别于现有机构的“实验区”。研究院团队由中国科学院彭练矛院士领衔，包括国家优青、青年拔尖人才、青年千人等在内的11名学术带头人、5名教授、2名副教授、12位优秀博士、14名实验室工程技术人员、100余名博士及硕士研究生。围绕碳基集成电路和新型传感器为代表的新一代信息技术领域，团队在唐氏综合症筛查、肝癌检测、无创血糖监测等生物传感和甲烷、氢气、甲醛等气体传感器件及其相关技术方面取得重要成果，并已研制全球首条碳基传感器芯片小试线，推进相关核心技术产业化。

近日，中国水产科学研究院质量与标准研究中心（农业农村部水产品质量安全控制重点实验室）吴立冬副研究员及其研究团队研发出一种应用于原位快速检测水产品中多巴胺的可再生生物传感器，实现了鱼类脑部皮层区域神经元的多巴胺连续原位监测。该研究成果以“Regenerative Field Effect Transistor Biosensor for in Vivo Monitoring of Dopamine in Fish Brains”为题，发表在电化学传感器顶级期刊《Biosensors and Bioelectronics》（中科院1区top期刊，IF: 10.257）上。人工智能、物联网和脑机接口等领域的快速发展，刺激着相关领域对原位智能再生传感器设备的需求，尤其是监测生物体中重要理化参数的传感芯片。目前，可再生场效应晶体管(FET)生物芯片在该领域具有巨大的应用前景，经靶特异性受体修饰的FET可以快速检测生物活性分子。鉴于此，我们研制了一种磁控灵敏度且可再生场效应晶体管(FET)生物芯片实现原位检测鱼脑中多巴胺。该芯片具有以下明显优势：第一，通过调控外界永磁铁的磁场高度，实现了调节控制生物芯片的灵敏度和检测限，为生物芯片定制化服务提供最优工艺解决方案。第二，通过去除永磁体即可实现生物芯片传感器的再生，降低了生物芯片的生产使用成本，为硅基生物芯片再生提供了可靠技术方案。结果表明，本生物芯片传感器具有优异的灵敏度和选择性，其线性范围1 μmol L−1 ~ 120 μmol L−1，最低检出限为3.3 nmol L-1，经过15次再生处理后仍具有良好的稳定性，成功应用于活体鱼类脑部多巴胺的实时在线监测。本研究开发出的磁控生物芯片传感器是全球首个通过永磁体在线远程控制灵敏度和检测限的生物传感器，为鱼脑质量安全评价提供坚实的技术支撑。该芯片优异的检测性能、可重复利用和生产成本低廉等优势，赋予该芯片在原位检测动物脑部生物活性分子方面的广阔应用前景。在前期研究中，吴立冬团队与魏淑华团队合作，开发了基于碳管及二维黑磷的核酸适配体场效应晶体管生物芯片（Analytica Chimica Acta, 2020；Analytica Chimica Acta, 2021）；进一步搭建了多功能磁性材料合成平台（本专利技术已许可给公司生产），研制了磁控场效应生物芯片传感系统。硕士研究生刘娜为论文第一作者，质标中心吴立冬副研究员论文通讯作者。（全文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2021.113340 ）。此项工作得到了中央公益性科研机构基础研究基金（2020GH09）和（2020TD75）的支持。图1 场效应晶体管源极到漏极通过磁控Fe3O4@AuNPs纳米粒子形成磁桥图2 生物芯片原位监测鱼脑中化学信号分子

期刊：Nature communication IF 14.92文章DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26230-x 【引言】 石墨烯的发现为人类打开了二维材料的大门，经历十多年的研究，二维材料表现出的各种优良性能越来越吸引科研学者。然而，在工业上大规模应用二维材料仍然存在着很多问题，所制成的器件不能符合工业标准。 【成果简介】 近日，复旦大学包文中教授课题组利用机器学习 (ML) 算法优化了二维半导体（MoS2）栅场效应晶体管 (FET)的制备工艺，并采用工业标准设计流程和工艺进行了晶圆器件与电路的制造和测试。文章以《Wafer-scale functional circuits based on two dimensional semiconductors with fabrication optimized by machine learning》为题发表于Nature Communications。本文中，晶圆尺寸器件制备的优化是先利用机器学习指导制造过程，随后使用小型台式无掩膜光刻机MicroWriter ML3进行制备，优化了迁移率、阈值电压和亚阈值摆幅等性能。 【图文导读】图1. 制备MoS2 FETs的总流程图。（a）CVD法制备晶圆尺寸的MoS2。（b）MoS2场效应管的各种截面图。（c）晶体管的表现和各类参数的关系。（d）从材料制备到芯片制备和测试的优化反馈循环。图2. MoS2 FETs的逻辑电路图。（a），（b），（c）和（d）各类电压对器件的影响。（e）使用MicroWriter ML3无掩膜激光直写机制备的正反器和（f）相应实验结果（g）使用MicroWriter ML3无掩膜激光直写机制备的加法器和（h）相应的实验结果。图3. 利用MoS2 FETs制备的模拟，储存器和光电电路。（a）使用无掩膜光刻机制备的环形振荡器和（b）相应的实验结果。（c）基于MoS2 FETs制备的存储阵列和（d-f）相应的实验结果。（g）利用MicroWriter ML3制备的光电电路和（h-i）相应的表现结果。图4. 使用MicroWriter ML3无掩膜激光直写机在晶圆上制备MoS2场效应管。（a）在两寸晶圆上制备的基于MoS2场效应管的加法器。（b），（c）和（d）在晶圆上制备加法器的运算结果。 【结论】 随着二维材料的应用和人工智能在各领域的迅速发展，如何快速开发出符合实验设计的原型芯片结构变得十分重要。由于实验过程中需要及时修改相应的参数，得到优化的实验结果，所以十分依赖灵活多变的光刻手段。从上文中可以看出，小型台式无掩膜光刻机MicroWriter ML3可以帮助用户快速实现各类逻辑结构的开发，助力微电子相关领域的研究。 鉴于1套小型台式无掩膜光刻机ML3系统的优良性能和高成果产出，课题组相关研究团队继续紧追热点，把握时机再添置一套英国DMO公司新款小型台式无掩膜光刻机-ML3 Pro+0.4 μm专业版系统，力争更优的器件性能，图中所示是目前已交付正常使用的全新版系统。希望能够助力研究团队取得重要进展！