APL | 南京大学朱马光课题组与中国科学院微电子所陆芃课题组:超强抗电子辐射MoS₂顶栅晶体管
- 2026-05-05 16:03:14
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二维材料领域中，单层二硫化钼（MoS2）场效应晶体管因其原子级通道厚度而展现出优异的电子性能和潜在的辐射耐受能力，成为深空探测与核技术等高辐射环境电子器件的有力候选。然而，现有MoS2器件普遍面临界限较低的辐射耐受性和界面态密度较高的问题，严重限制了其实际应用。针对这一瓶颈，南京大学集成电路学院与中国科学院微电子研究所联合团队在《Applied Physics Letters》发表题为“Development of the self-aligned top-gate MoS2 transistor with the recorded radiation tolerance”的研究成果，论文的第一作者为南京大学集成电路学院博士生张凌雨和孙逸夫，通讯作者为南京大学朱马光副教授和中国海洋大学陆芃教授。本工作提出了自对准顶栅结构并优化沟道长度与栅介质厚度的创新设计策略。研究中，团队采用化学气相沉积（CVD）法制备高质量单层MoS2，并通过原子层沉积（ALD）工艺生长低界面态密度的HfO2栅介质，实现了界面态密度低至7.1×1010 eV-1·cm-2。系统的电子辐射测试表明，所制备器件在高达1×1016 e/cm2电子辐射下仍表现出极小的阈值电压漂移（约-0.29 V）和亚阈值摆幅变化（约2.1 mV/dec），远优于当前报道的薄膜晶体管水平。该成果不仅显著提升了二维材料器件的辐射稳定性，也为其在极端环境电子学中的应用开辟了新路径。
图1 自对准MoS2顶栅场效应晶体管的制备工艺与结构。(a) 顶栅单层MoS2场效应晶体管的示意图及顶栅MoS2器件的制备工艺。(b) 自对准MoS2顶栅场效应晶体管的俯视扫描电子显微镜图像。(c) 自对准MoS2器件的截面透射电子显微镜（TEM）图像。(d) 栅极长度L = 1 μm、宽度W = 5 μm的顶栅MoS2场效应晶体管（20个器件）的转移特性，测量条件为Vds = 100 mV和1 V。(e) 长度 L = 1 μm、宽度 W = 5 μm 的 MoS2 场效应管输出特性，栅源电压 Vgs 以 0.2 V 为步长从 1 V 扫至 3 V。(f) 噪声功率谱随频率的变化。
图2 不同通量的电子辐照前后顶栅MoS2场效应管（L = 1 μm）的电学特性。(a-c) 在 Vds 为 1 V 时测得的 MoS2 场效应管（L = 1 μm，W = 5 μm）的转移特性，分别对应 (a) 1014 e/cm2、(b) 1015 e/cm2 和 (c) 1016 e/cm2 通量下的电子辐照前后。(d-f) 在 1014 e/cm2、1015 e/cm2 和 1016 e/cm2 三种电子辐照通量下，(d) SS、(e) Vth 和 (f) Ion/Ioff 变化的统计测量结果。
图3 不同沟道长度下，顶栅MoS2场效应管在电子辐照前后电学性能的比较。(a-c) 沟道长度分别为 (a) 1 μm、(b) 3 μm 和 (c) 5 μm（栅宽 W = 5 μm）的顶栅 MoS2 场效应晶体管的转移特性，在电子通量为 1015 e/cm2 的电子辐照前后，于 Vds = 1 V 条件下测得。(d-f) 针对沟道长度为 L = 1 μm、3 μm 和 5 μm 的器件，对 (d) SS、(e) Vth 以及 (f) Ion/Ioff 变化的统计测量结果。
图4 电子辐照前后，具有不同栅极绝缘层厚度的顶栅MoS2场效应晶体管的电学特性。(a-c) 栅极绝缘层厚度分别为 (a) 5 nm、(b) 10 nm 和 (c) 15 nm 的 MoS2 场效应管在 Vds = 1 V（L = W = 5 μm）条件下测得的转移特性曲线，数据采集于 1015 e/cm2 通量电子辐照前后。(d-e) 栅极绝缘层厚度(tox)分别为5、10和15 nm的器件的(d) SS、(e) Vth变化的统计测量结果。(f) 其他抗辐射场效应管中ΔVth变化的基准数据。
团队介绍
朱马光，南京大学集成电路学院副教授、研究员，博士生导师。研究方向涵盖后摩尔时代低维纳米材料制备、高性能碳基集成电路、抗辐照集成电路设计及柔性电子器件。主持多项国家自然科学基金青年项目及省部级重点课题，发表Nature Electronics、Advanced Materials、Small等高水平学术论文20余篇。获江苏省双创博士、姑苏青年创新领军人才等奖项。团队构建了碳基器件抗复合辐照技术体系，在抗辐照电子学领域具国际领先地位。
陆芃，中国海洋大学教授，青年英才工程第一层次人才，硕士生导师。获美国加州大学洛杉矶分校电子与计算机工程博士学位，曾任中国科学院微电子研究所副研究员及课题组长。研究方向包括纳米集成电路制造技术及低热预算碳纳米管与硅基异质集成。主持国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划等多项重点科研项目，发表Advanced Functional Materials、Nano Research等高水平论文40余篇。积极推动纳米集成电路技术向高性能、低功耗发展。
文章信息
Development of the self-aligned top-gate MoS₂ transistor with the recorded radiation tolerance
Lingyu Zhang ; Yifu Sun; Kaiyue He; Ruhai Liu ; Dong Zhang; Peng Lu; Maguang Zhu
Appl. Phys. Lett. 127, 123506 (2025)
https://doi.org/10.1063/5.0290712
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期刊介绍
Applied Physics Letters以简明扼要的最新报告为特色，介绍了应用物理学的重大新发现。APL强调关键数据和新的物理学见解的快速传播，及时发表新实验和理论论文，报告物理现象在科学，工程和现代技术的所有分支中的应用。
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