[论文解读] MoS2 Transistors Operating at Gigahertz Frequencies

Daria Krasnozhon, Dominik Lembke+3 more|Sep 23, 2014

2D Materials and Applications被引用 6

一句话总结

该论文展示了工作频率达吉赫兹的顶栅结构二硫化钼（MoS2）场效应晶体管，最高截止频率达6 GHz。其直接带隙与超薄结构使器件在高频范围内实现电流饱和、功率增益和电压增益，确立了MoS2在高速模拟与数字电路中的可行性。

ABSTRACT

The presence of a direct band gap and an ultrathin form factor has caused a considerable interest in two-dimensional (2D) semiconductors from the transition metal dichalcogenides (TMD) family with molybdenum disulphide (MoS2) being the most studied representative of this family of materials. While diverse electronic elements, logic circuits and optoelectronic devices have been demonstrated using ultrathin MoS2, very little is known about their performance at high frequencies where commercial devices are expected to function. Here, we report on top-gated MoS2 transistors operating in the gigahertz range of frequencies. Our devices show cutoff frequencies reaching 6 GHz. The presence of a band gap also gives rise to current saturation, allowing power and voltage gain, all in the gigahertz range. This shows that MoS2 could be an interesting material for realizing high-speed amplifiers and logic circuits with device scaling expected to result in further improvement of performance. Our work represents the first step in the realization of high-frequency analog and digital circuits based on two-dimensional semiconductors.

研究动机与目标

• 研究二维MoS2晶体管的高频性能，以评估其在高速电子电路中的潜在应用。
• 评估MoS2的直接带隙与原子级薄结构是否能够支持吉赫兹频率下的可测量增益。
• 确定MoS2晶体管是否可在高频下实现电流饱和及功率/电压增益，这对放大器与逻辑应用至关重要。
• 为基于二维半导体的高频模拟与数字电路实现奠定基础。

提出的方法

• 采用机械剥离的单层MoS2纳米片制备顶栅结构MoS2场效应晶体管。
• 使用六方氮化硼（h-BN）作为介质层，以减少散射并改善栅控能力。
• 搭建高频测量系统，用于表征截止频率（fT）与增益性能。
• 测量电流饱和特性与输出特性，以确认在吉赫兹频率下具备功率增益与电压增益。
• 采用标准晶体管模型提取关键性能参数，如跨导与截止频率。
• 系统性地改变栅压与偏置条件，以评估高频性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 MoS2晶体管能否实现吉赫兹频率范围内的工作？
• RQ2 MoS2中直接带隙的存在是否能实现高频下的电流饱和与增益？
• RQ3 在环境条件下，MoS2晶体管可达到的最大截止频率是多少？
• RQ4 基于MoS2的晶体管能否在吉赫兹频段同时支持功率增益与电压增益？
• RQ5 MoS2是否是高速模拟与数字集成电路的可行候选材料？

主要发现

• MoS2晶体管实现了高达6 GHz的截止频率（fT），证明其可在吉赫兹频段工作。
• 器件中观察到电流饱和现象，使高频下同时实现功率增益与电压增益成为可能。
• MoS2的直接带隙支持强栅控能力与低漏电流，有助于提升高频性能。
• 使用六方氮化硼（h-BN）作为介质层显著提升了器件质量，并实现了可靠的高频测量。
• 结果证实，MoS2适用于高速模拟与数字电路应用，且通过器件工程有望进一步提升性能。
• 本工作首次通过实验验证了二维半导体晶体管在吉赫兹频段具备可测量增益的高频工作能力。