人工智能、生命健康等领域的发展对信息的采集和处理提出了不断增长的需求，推动电子器件尺寸持续微缩。二维半导体晶体管具有优异的抗短沟道效应，有望将芯片制程推向亚纳米节点。当器件尺寸微缩至纳米尺度时，器件的界面效应愈加显著。理解界面与晶体管电性能之间的构效关系，对实现具有高性能和高稳定性的晶体管至关重要。其中，高k栅介质/半导体界面是先进制程场效应晶体管的核心组成部分。然而，目前对高k栅介质/二维半导体界面与器件电性能构效关系仍缺乏清晰的认识、能够满足先进芯片制造的界面集成工艺也面临极大挑战。
针对该些关键问题，南科大深港微电子学院陈鹏团队系统分析了界面与二维半导体晶体管电性能的关联机制（图1）。提出了开发新型界面集成工艺的研究路径，包括界面缺陷产生和优化机制研究、能够满足超大规模器件集成的气相界面集成工艺研究等，相关研究成果“Clean and Uniform High-k Gate Dielectric Integration for 2-D Field-Effect Transistors”发表于IEEE-TED. 72, 11, 2025。2023级博士研究生梁锦旋为该论文的第一作者，陈鹏老师为该论文的通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金面上项目等项目的资助。
图1.高k栅介质/二维半导体界面与晶体管电性能的构效关系
团队针对界面无序散射、介电屏蔽效应、热耗散对二维半导体载流子输运的影响机制展开研究。提出利用范德华绝缘体六方氮化硼（hBN）作为界面层，实现高k氧化物/二维半导体界面的解耦调控（图 2），系统且深入地揭示了高k氧化物/二维半导体界面对载流子输运的影响机制。首次清晰阐释界面介电屏蔽与无序散射的竞争机制，明确少层 hBN 的最优调控效果。实现了室温下MoS₂中载流子饱和速度的最高纪录：4.8×10⁶ cm/s。相关研究成果“Modulating the carrier transport at 2D semiconductor/high-k oxide interfaces with 2D hBN interfacial layers”发表于Appl. Phys. Lett. 127, 212101, 2025。2023级硕士研究生任泽诚为该论文的第一作者，陈鹏老师为该论文的通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金面上项目等项目的资助。
图2.高k氧化物/二维半导体界面与载流子输运的构效关系研究
此外，团队针对二维半导体异质结晶体管器件中的电回滞现象开展了深入研究（图3）。利用变温电测量和hBN界面调控，澄清WSe2与SiO2电介质缺陷能级耦合是异质结器件电回滞的主要来源。进一步通过双栅调控，将异质结沟道与SiO2缺陷能级去耦合，实现了对异质结器件电回滞的调控。该研究为二维半导体异质结器件电回滞的来源、调控及其应用提供了参考。相关研究成果“Control of stability in a dual-gate transistor based on WSe2/MoS2 van der Waals heterostructures”发表于J. Appl. Phys. 138, 234301, 2025。2023级硕士研究生刘明佳为该论文的第一作者，陈鹏老师为该论文的通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金面上项目等项目的资助。
图3.二维半导体异质结器件电回滞起源与调控研究
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