Small:超高空穴迁移率场效应晶体管

随着晶体管尺寸的不断缩小,摩尔定律将接近极限,新一代高性能光电子芯片的研发机遇与挑战同存。“探索更高迁移率的新功能沟道材料纳米线场效应晶体管”是后摩尔时代Beyond Moore的主要发展方向之一。基于此,山东大学杨再兴课题组近几年围绕新功能沟道材料纳米线的可控生长、性能调控、器件研发开展了“高迁移率纳米线场效应管”的研究工作:在气相生长锑化物过程中,开发出氧族元素作为表面活性剂原位钝化锑元素的新方法,控制了锑元素的“趋肤效应”,纳米线直径的最小值降至10 nm(Nat. Commun., 2014, 5, 5249);发展了借助固态催化剂实现外延并调控纳米线表面微观结构和内部晶格结构的新机制,控制了载流子输运的散射机制,迁移率接近理论极限值(ACS Nano, 2015, 9, 9268;ACS Nano, 2017, 11, 4237;ACS Nano, 2018, 12, 10410);针对锑化物的本征空穴来源,理论设计并实现催化剂对纳米线的原位轻掺杂,有效减弱了载流子的库伦散射作用,进一步提高纳米线的空穴迁移率至理论极限值,并表现出出色的红外探测能力(Nano Lett., 2019, 19, 5920;Nano Res., 2021, https://doi.org/10.1007/s12274-021-3321-3)。

最近,山东大学杨再兴教授等利用金属-半导体结调控沟道空穴浓度,有效地减弱半导体的库伦散射,实现了超高空穴迁移率(3372 cm2·V-1·s-1)的场效应晶体管。众所周知,散射(包括:库伦散射、晶格散射、表面散射等)是影响半导体载流子迁移率的重要因素。构建金属-半导体结可以控制半导体的载流子浓度,调控散射机制,是提升迁移率的一个有效手段。当半导体与较低功函数的金属接触时,金属中的电子将注入半导体中,从而导致n型半导体中电子浓度增加或p型半导体中空穴浓度降低。另一方面,当半导体与较高功函数的金属接触时,n型半导体电子浓度将降低,而p型半导体中空穴浓度将提高。载流子与杂质离子浓度的降低,将有效地减弱库伦散射,提升迁移率。

当沉积低功函数金属Al、Sn和Ti构建金属-半导体结后,GaSb纳米线场效应晶体管的峰值空穴迁移率显著提高,分别高达3372 cm2·V-1·s-1、1938 cm2·V-1·s-1和2840 cm2·V-1·s-1,而原始器件的场效应空穴迁移率仅为1214 cm2·V-1·s-1,基于此方法得到的GaSb空穴场效应迁移率是目前文献报道过的在大气室温环境下的最高值。场效应空穴迁移率的大幅提高归因于金属-半导体界面向下的能带弯曲导致的半导体沟道中空穴浓度的降低,有效地减少了半导体的库伦散射。同时,GaSb纳米线场效应晶体管的其他重要电子特性,例如阈值电压和亚阈值摆幅等,也得到很好的控制。重要的是,当与n型InGaAs纳米线场效应管结合时,受益于提高的场效应空穴迁移率、合适的阈值电压和亚阈值摆幅等,制成的CMOS反相器具有良好的反相特性,实现了~18.1的高增益。这种利用金属-半导体结调控p型材料场效应迁移率的方法具有普适性,在其他p沟道器件中得到了验证,例如p型GaAs纳米线,GaAs薄膜和二维WSe2场效应晶体管。沟道材料的厚度越小,场效应空穴迁移率的增加效果越明显。

该项工作被选为Small的前封面,得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省泰山学者、山东大学青年交叉创新群体等项目的支持。

论文信息:

Toward unusual-high hole mobility of p-channel field-effect-transistors

Jiamin Sun, Xinming Zhuang, Yibo Fan, Shuai Guo, Zichao Cheng, Dong Liu, Yanxue Yin, Yufeng Tian, Zhiyong Pang, Zhipeng Wei, Xiufeng Song, Lei Liao*, Feng Chen, Johnny C. Ho*, Zai-xing Yang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202102323

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202102323?af=R