前言

电子设备在系统层次上可以被描述为模拟的或数字的。数字电子设备通过使用严格定义的离散信号值(0和1)工作，而在模拟电子设备中，信号可以采用任何物理上可用的电平。在过去的几十年里，数字电路的性能和价格比的惊人增长，已经使许多种类的模拟电路变得过时，但是对模拟电子设备的巨大需求仍然存在。与数字电子产品一样，模拟电子产品仍然主要是在硅上制造的。对更高性能、新型器件和灵活集成的需求，导致了对模拟应用新材料的研究，包括模拟传感器信号预处理和箔片上的低成本射频识别标签。二维(2D)材料已经得到了广泛的研究，因为它们提供了一系列有价值的电学、光学和机械性能。特别是半导体过渡金属二硫化物(TMDs)，对未来的电子产品显示出巨大的希望。然而，到目前为止，大多数关于使用半导体2D材料的电子器件的研究都集中在数字电子器件上，并且通常局限于小电路。通常，器件的实现纯粹是为了演示底层的晶体管架构，并且在某种程度上受到缺乏大规模综合的限制。最近，在高质量2D材料的大规模生长方面取得了重大进展，据报道，电路不再局限于小的剥片。

研究内容

维也纳理工大学的科学家展示了一个运算放大器可以用2D二硫化钼场效应晶体管来制作。他们的运算放大器表现出良好的性能，包括36分贝的开环增益和0.3兆赫的单位增益转换频率，以及高水平的器件均匀性。当缩放到可比的EOT值时，阈值电压的变化约为11 mV，这与商用硅的性能相当。此外，使用这些运算放大器实现了几种常见的模拟反馈电路，包括反相和对数放大器、积分器和跨阻放大器。

实验方法

器件由底栅n沟道场效应晶体管组成，使用通过化学气相沉积生长的2D半导体MoS2模拟二维半导体电子器件。数字电子器件在现代世界中无处不在，但模拟电子器件在许多器件和应用中也发挥着至关重要的作用。模拟电路通常使用硅作为活性材料制造。在这里，科学家们展示了运算放大器——模拟电子的基本构件——可以使用2D半导体二硫化钼(MoS2)作为活性材料来制造。该器件能够稳定工作并具有良好的性能，展示了它在反馈电路中的应用，包括反相放大器、积分器、对数放大器和跨阻放大器具有氧化物的硅晶片仅用作载体衬底，并且原则上可以由任何不导电的刚性或柔性衬底代替。所有的光刻步骤都是通过电子束光刻完成的。使用电子束蒸发系统制造栅极、源极和漏极金属接触。使用原子层沉积(ALD)来沉积栅极电介质Al2O3，并且通过湿法和干法蚀刻来定义通孔和二氧化硅沟道。

运放电路和制造的芯片

器件一致性

模拟电子电路

结论

底层n沟道晶体管的特性显示出与硅技术相当的低可变性。这种低可变性对于设计和实现更大、更复杂的电路至关重要，例如运算放大器，它对组成元件的均匀性有严格的要求。虽然他们的运算放大器的增益和带宽目前没有商用硅器件高，但它的性能已经可以类似于基于其他薄膜半导体技术的放大器。他们还展示了运算放大器在典型反馈电路中的适用性，以及TMD光电探测器与TMD放大器的单片集成。随着容错电路设计的发展、工艺和材料质量的提高，以及最重要的2D材料中的互补金属氧化物半导体技术的出现，他们的方法可以为2D半导体在模拟电子领域的未来应用提供一条可行的途径。

Polyushkin, D.K., Wachter, S., Mennel, L. et al. Analogue two-dimensional semiconductor electronics. Nat Electron 3, 486–491 (2020). https://doi.org/10.1038/s41928-020-0460-6。