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二維過渡金屬硫屬化物晶體管的性能調控

      與常規三維半導體材料(Si,Ge和III-V族化合物)相比,二維層狀半導體晶體管由于擁有超薄厚度,原子尺度平滑性,表面無懸掛鍵和大范圍可調的帶隙,顯示出了可縮減至納米尺度和高密度三維集成的潛力。具有原子層厚度的二維半導體晶體管擁有更好的靜電控制可以有效地抑制短溝道效應,并且有高開關比、較小的亞閾值擺幅和更小的功率消耗,體現了它優異的性能。為了將二維材料應用到互補型金屬氧化物半導體(CMOS)邏輯電路中,重要的是以可控制的方式調制載流子類型和密度,優化二維材料與金屬的電學接觸以及設計調控二維材料與介質材料的界面,以達到二維材料本征載流子遷移率。

香港理工大學柴揚課題組從多個方面詳細總結了二維過渡金屬硫屬化物晶體管性能調控上的最新進展,包括對載流子類型和密度的調控,優化二維半導體與金屬電極的接觸,以及改善二維半導體與柵介質之間的界面。在載流子調控方面,傳統的摻雜方式(熱擴散和離子注入)不容易直接用于過渡金屬硫屬化物的摻雜。固態氧化物可以通過電荷轉移的方式實現對二維半導體的摻雜并改變其載流子類型與密度。通過沉積具有不同功函數的固態氧化物,可以有效地實現二維半導體的n型與p型調控。固態氧化物的制備方法與傳統硅集成電路工藝兼容,同時擁有很高的穩定性,體現出了較大的應用前景。

在金屬接觸上,有表面接觸(top-contact)和邊緣接觸(edge-contact)這兩種接觸結構。邊緣接觸結構中,二維材料和金屬可以形成強的化學鍵,所以接觸電阻較小。形成邊緣式接觸的一個巧妙辦法是把半導體性二硫化鉬(2H相)轉化成金屬性(1T相),用1T相部分作為接觸區域實現歐姆接觸。這一開創性工作給二維半導體器件的未來發展提供了很好的策略。最近報道的以重摻雜過渡金屬硫屬化物作為接觸材料的二維晶體管,同樣實現了極低的接觸電阻。摻雜技術的進步有利于形成金屬與二維材料的歐姆接觸。

在界面態優化方面,界面的帶電雜質和缺陷會極大的影響二維材料的輸運性能。眾多研究結果表明二維氮化硼材料是較理想的介質界面材料。二維氮化硼給過渡族金屬硫屬化物提供了一個平整、無懸掛鍵和無界面態的惰性環境,有利于載流子的輸運。但它的介電常數較小,作為柵介質調控能力有限。因此,在晶體管制備中,研究人員常把二維氮化硼與其他介質材料一起作為柵介質層,使得工藝復雜化。未來希望尋找到高介電常數二維介質材料來實現進一步優化。

據巨納旗下低維材料在線91cailiao.cn的技術工程師Ronnie介紹,隨著對二維過渡金屬硫屬化物晶體管的深入研究,研究人員已經有了較深刻的認識。相比于研究初期,輸運性能也擁有較高的提升。把摻雜,接觸和界面三個方面結合起來進一步優化,將有利于實現二維晶體管的功能化和集成應用。

 

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