客户成果丨北理工、物理所等团队《InfoMat》新突破：高迁移率悬空MoS₂器件，实现阈值电压精准调控
2026 年，北京理工大学王业亮教授、黄元教授、刘霞教授团队，携手中国科学院物理研究所郭建刚研究员团队，在国际顶级期刊《InfoMat》（IF=22.3）发表重要研究成果，题为“High-Mobility Suspended MoS2 Devices with Tunable Threshold Voltage”。该团队成功制备出高迁移率且阈值电压可精准调控的二硫化钼（MoS2）场效应晶体管，为二维半导体器件在高端微电子芯片领域的应用筑牢基础，论文第一作者为北理工颜佳豪。
MoS2是下一代半导体材料的核心候选者，具备优异的光电与机械性能，适配低功耗、高集成度的微纳器件研发。但受原子级厚度限制，MoS2与衬底间的电荷转移、声子散射等作用难以避免，不仅使其器件迁移率远低于理论值（实验值<40 cm2V-1s-1，理论值200-500 cm2V-1s-1），还出现阈值电压偏移、开关比低等问题，严重制约其本征性能发挥。
为破解这一难题，研究团队摒弃传统衬底支撑结构，融合自主研发的“水蒸气插层”（Water Vapor Intercalation, WVI）转移法（Adv. Mater. 2025, 37, 2417052.）与氧等离子辅助解理技术（ACS Nano 2015, 9, 11, 10612,），高效制备出高质量悬空MoS2器件，有效屏蔽衬底对MoS2的不利影响。同时，团队创新性引入“悬空比例（α）”，即悬空凹槽长度与沟道总长度的比值作为调控参数，系统探究其对器件电学性能的调制规律，实现了阈值电压、迁移率等关键参数的精准调控。值得注意的是，研究中不同悬空比例的器件均制备于同一MoS2薄膜，最大程度保障了研究结论的严谨性与可靠性。
图1 器件制备流程图。器件制备分为（A）材料准备和（B）器件制备两个步骤。（A）首先使用机械解理（i）在硅片上解理MoS2，随后，旋涂PMMA（ii）并使用水蒸气辅助转移技术准备二维材料（iii）。（B）同时，设计并经过两次光刻工艺制备带悬空凹槽的器件衬底（i）。最后，使用显微镜将准备好的二维材料转移至器件衬底上（ii），经过除胶和退火完成器件制备（iii）。
核心创新与性能突破
1. 悬空结构大幅提升器件本征性能
与传统有支撑衬底的MoS2器件相比，悬空MoS2器件的电导率提升1倍，环境稳定性显著增强，电流开关比提升3个数量级，至7.6×107；阈值电压向0 V偏移（支撑器件>-30 V，悬空器件可低于-10 V），功耗大幅降低，且在80-400 K宽温区展现出更优异的阈值电压鲁棒性，在极端温度环境中具有更大应用潜力。
图2 悬空和有衬底支撑的二硫化钼场效应晶体管的输出特性和转移特性。（A）具有悬空沟道和支撑沟道的二硫化钼场效应晶体管的结构示意图。（B）具有悬空沟道和支撑沟道的二硫化钼场效应晶体管的扫描电子显微镜图像。（C）悬空（i）和有衬底支撑（ii）的二硫化钼场效应晶体管的输出曲线。（D）在源漏电压为1 V时，悬空和有支撑的二硫化钼场效应晶体管的转移曲线。（E）悬空（i）和有支撑（ii）的二硫化钼场效应晶体管的温度依赖性转移特性的等高线图。图中的虚线表示阈值电压随温度的变化率。
2. 通过控制悬空比例实现电学性能精准调谐
使用TuoTuo Technology （TTT-07-UV Litho-ACA）的无掩模光刻机对不同沟道的悬空比例进行精确定义。研究表明，随着悬空比例α从0%提升至90%，器件阈值电压从-40 V降至-5 V，无限接近理想值；亚阈值摆幅从3600 mV dec-1降至约200 mV dec-1，降低近一个数量级，栅极调控能力显著增强；场效应迁移率从约1 cm2V-1s-1提升至100 cm2V-1s-1，实现质的飞跃。
图3 具有不同悬空占比的二硫化钼场效应晶体管。（A）具有悬空沟道的器件示意图。（B）具有不同悬空占比的沟道的场效应晶体管扫描电子显微镜图像。（C）不同悬空占比的场效应晶体管的转移曲线（i）和开关比（ii）。（D）悬空（i）和有支撑（ii）器件中关态电流降低原理的示意图。（E）悬空二硫化钼场效应晶体管的光学显微镜图像。中间的灰色条带是悬空沟槽。红点代表悬空区域中的二硫化钼，灰点代表有二氧化硅衬底支撑的二硫化钼。（F）二硫化钼的拉曼光谱和（G）光致发光光谱，红色（悬空）和灰色（有支撑）曲线分别对应（E）中的位置。
3. 悬空霍尔器件消除接触电阻影响，验证高迁移率特性
为排除接触电阻等非本征因素干扰，团队设计制备了悬空霍尔MoS2器件，测得其零栅压下霍尔迁移率达96.8 cm2V-1s-1，是支撑器件（37.0 cm2V-1s-1）的2.6倍，体现了悬空对衬底界面散射等不良影响的屏蔽，直接证实了悬空结构对载流子输运性能的提升作用。
图4 悬空霍尔器件揭示了二硫化钼场效应晶体管的迁移率增强现象及其原理。（A）悬空霍尔结构器件的示意图。（B）悬空（左）和有衬底支撑（右）的霍尔器件的扫描电子显微镜图像，其中深灰色部分是悬空沟道，金色区域是金属电极。（C）面内电阻（Rxx）和（D）霍尔电阻的测量结果。（E）近期文献中二维二硫化钼场效应晶体管的场效应迁移率（μFE）和阈值电压（Vth）的统计数据。红色星号代表本研究的测量结果。（F）不同栅极电压下悬空（i）和支撑（ii）二硫化钼的拉曼光谱。（G）悬空二硫化钼的拉曼光谱表征示意图。（H）不同栅极电压下悬空二硫化钼的E12g峰位移（左轴）和应变（左轴）。
性能提升的核心机制
1. 衬底相互作用的有效屏蔽：
悬空结构抑制了SiO2衬底带来的电荷掺杂和电-声散射，使MoS2沟道载流子浓度恢复至本征状态，暗态电流降低3个数量级，开关比大幅提升，这也导致悬空衬底的晶体管器件只需要更小的反向电压即可将沟道关断，引发了阈值电压向0 V的偏移。同时拉曼波数的红移证明悬空结构降低了MoS2材料的层间耦合，加快了载流子的输运。此外，还消除了衬底（Si/Au等原子）对MoS2中S键合的力约束，减少了界面缺陷复合，其光致发光（PL）强度显著增强，本征光电特性得以体现。
2. 界面陷阱效应的显著抑制：
悬空结构减少了MoS2与SiO2界面的电荷俘获，消除了衬底诱导的内建电场，使器件亚阈值摆幅大幅降低，栅极对沟道的调控效率显著提升。
图5 具有不同悬空比例的MoS2场效应晶体管中阈值电压和亚阈值摆幅的变化及原理。（A）不同α值的场效应晶体管的阈值电压。插图显示了∆n与α之间的关系。（B）支撑型（i）和悬空型（ii）场效应晶体管中阈值电压变化原理的示意图。（C）不同α值的场效应晶体管的亚阈值摆幅（SS）。支撑型（D）和悬空型（E）场效应晶体管在栅极电压（Vg）<0 V（i）、Vg =0 V（ii）和Vg >0 V（iii）时的能带结构示意图。
3. 栅压诱导拉伸应变的辅助增强：
栅极电压可使悬空MoS2产生可控的拉伸应变（最高约1.5%），调制材料能带结构，进一步提升载流子迁移率；研究证实，衬底屏蔽是迁移率提升的主因，栅压诱导拉伸应变在本研究中为迁移率的辅助增强因素。
图6 具有6μm长、1μm深沟槽的悬空MoS2场效应晶体管的形变模拟。(A) 仿真器件结构和形变结果表征侧视图。(B) 仿真器件及形变结果XOY平面透视图。(C) 不同栅压下悬空MoS2的形变图。
使用Comsol进行了模拟，以研究不同栅压下悬浮MoS2的形变，如图6所示。从图6B中的模拟结果可以看出，在栅压的影响下，材料倾向于向下移动并向沟槽底部弯曲。当施加50 V的栅压时， MoS2的中心部分会产生4.7 Å的向下形变。还计算了不同栅压下材料的向下形变量，并将其绘制如图6C所示。从图中可以看出，无论施加正栅压还是负栅压，悬空材料都会在静电力的作用下向底部拉伸，产生拉伸应变。拉伸应变能很好地降低谷间散射，提升迁移率。
研究意义与应用前景
该研究的意义重大且应用前景广阔：首次系统阐明悬空比例对MoS2场效应晶体管电学性能的调制规律，为二维材料器件性能优化提供了全新思路，所制备的器件有效解决了二维半导体器件“低功耗-高迁移率”的协同瓶颈，在高端微纳电子、柔性电子、超灵敏传感等领域具有重要应用价值。同时，研究证实的悬空结构对二维材料衬底效应的屏蔽作用，为IGZO、WSe2等其他二维半导体器件的性能优化提供了普适性设计策略，推动二维材料向实际芯片应用迈出关键一步。同时，该研究证实了悬空结构对二维材料衬底效应的屏蔽作用，为其他二维半导体（如IGZO、WSe2等）器件的性能优化提供了普适性设计策略，推动二维材料向实际芯片应用迈出关键一步。
该工作使用TuoTuo Technology （TTT-07-UV Litho-ACA）的无掩模光刻机完成了器件电极图案以及悬空沟道的定义，特别是在同一个器件衬底上实现了对9种不同悬空占比的沟道的精准定义，精度达到亚微米级，缩小了器件尺寸，降低了材料的制备难度，很好地满足了实验对不同沟道悬空凹槽和支撑衬底占比的调控需求。
团队与期刊简介
本研究由北理工王业亮、黄元、刘霞教授与中科院物理所郭建刚研究员为共同通讯作者，联合多单位合作完成，研究工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。发表成果的《InfoMat》是电子科技大学与Wiley合办的国产金色OA英文学术期刊，为中科院材料科学1区TOP期刊，连续多年入选中国最具国际影响力学术期刊（TOP5%），聚焦信息技术与材料、物理等新兴交叉领域的前沿研究。
论文链接：DOI: 10.1002/inf2.70114
