二维过渡金属硫属化物晶体管在性能调控方面的研究进展

与常规三维半导体材料(Si,Ge和III-V族化合物)相比,二维层状半导体晶体管由于拥有超薄厚度,原子尺度平滑性,表面无悬挂键和大范围可调的带隙,显示出了可缩减至纳米尺度和高密度三维集成的潜力。具有原子层厚度的二维半导体晶体管拥有更好的静电控制可以有效地抑制短沟道效应,并且有高开关比、较小的亚阈值摆幅和更小的功率消耗,体现了它优异的性能。为了将二维材料应用到互补型金属氧化物半导体(CMOS)逻辑电路中,重要的是以可控制的方式调制载流子类型和密度,优化二维材料与金属的电学接触以及设计调控二维材料与介质材料的界面,以达到二维材料本征载流子迁移率。

香港理工大学柴扬课题组从多个方面详细总结了二维过渡金属硫属化物晶体管性能调控上的最新进展,包括对载流子类型和密度的调控,优化二维半导体与金属电极的接触,以及改善二维半导体与栅介质之间的界面。在载流子调控方面,传统的掺杂方式(热扩散和离子注入)不容易直接用于过渡金属硫属化物的掺杂。固态氧化物可以通过电荷转移的方式实现对二维半导体的掺杂并改变其载流子类型与密度。通过沉积具有不同功函数的固态氧化物,可以有效地实现二维半导体的n型与p型调控。固态氧化物的制备方法与传统硅集成电路工艺兼容,同时拥有很高的稳定性,体现出了较大的应用前景。

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在金属接触上,有表面接触(top-contact)和边缘接触(edge-contact)这两种接触结构。边缘接触结构中,二维材料和金属可以形成强的化学键,所以接触电阻较小。形成边缘式接触的一个巧妙办法是把半导体性二硫化钼(2H相)转化成金属性(1T相),用1T相部分作为接触区域实现欧姆接触。这一开创性工作给二维半导体器件的未来发展提供了很好的策略。最近报道的以重掺杂过渡金属硫属化物作为接触材料的二维晶体管,同样实现了极低的接触电阻。掺杂技术的进步有利于形成金属与二维材料的欧姆接触。

在界面态优化方面,界面的带电杂质和缺陷会极大的影响二维材料的输运性能。众多研究结果表明二维氮化硼材料是较理想的介质界面材料。二维氮化硼给过渡族金属硫属化物提供了一个平整、无悬挂键和无界面态的惰性环境,有利于载流子的输运。但它的介电常数较小,作为栅介质调控能力有限。因此,在晶体管制备中,研究人员常把二维氮化硼与其他介质材料一起作为栅介质层,使得工艺复杂化。未来希望寻找到高介电常数二维介质材料来实现进一步优化。

随着对二维过渡金属硫属化物晶体管的深入研究,研究人员已经有了较深刻的认识。相比于研究初期,输运性能也拥有较高的提升。把掺杂,接触和界面三个方面结合起来进一步优化,将有利于实现二维晶体管的功能化和集成应用。相关综述文章发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201603484)上。香港理工大学学生赵昱达为该篇文章的第一作者。

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