2018-02-09 物理研究所
語音播報
傳統矽基半導體器件的小型化進程逐漸接近其物理極限，尋找新的材料、發展新的技術使器件尺寸進一步縮小仍是該領域的發展趨勢。傳統矽基場效應電晶體要求溝道厚度小於溝道長度的1/3，以有效避免短溝道效應。但受傳統半導體材料限制，溝道厚度不能持續減小。近年來，利用二維半導體材料來構造短溝道電晶體器件已經成為一個前沿探索的熱點課題。二維材料因其達到物理極限的厚度成為一種構造超短溝道電晶體的潛在材料，理論上可以有效降低短溝道效應。但構造一個真正的三端亞5納米短溝道場效應電晶體器件來有效避免短溝道效應，還存在技術上的挑戰。
針對如何利用二維半導體材料構築短溝道電晶體的問題，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件實驗室N07組博士研究生謝立等在研究員張廣宇、時東霞的指導下，針對器件結構中的溝道、電極、及柵介質等幾種核心材料，設計了一種基於全二維材料構築的新型短溝道電晶體器件。針對接觸電極材料，在前期工作基礎上，發展了基於晶界的刻蝕和展寬技術製備出石墨烯納米間隙電極，間隙尺寸在3納米以上可控。利用幹法轉移技術將作為溝道材料的單層二硫化鉬，與作為柵介質材料的少層氮化硼依次進行疊層，構造出具有一系列不同溝道長度的單層二硫化鉬場效應電晶體器件，最小溝道長度為～4納米。利用石墨烯作為電極和二硫化鉬接觸具有兩方面的優點，即極低的接觸電阻和極弱的邊緣效應，從而達到電場對溝道載流子的高效調控。器件的電學測試結果表明，當溝道長度大於9納米時，其關態電流小於0.3pA/µm, 開關比大於107，遷移率可達30cm2V-1s-1，亞閾值擺幅～93mV·dec−1，漏致勢壘降低＜0.425V·V−1，短溝道效應可以忽略；當溝道長度低至4納米時，短溝道效應開始出現但仍較弱。此外，這種短溝道器件可以承載超大電流密度大於500µA/µm，為目前報導的最高值。該研究利用全二維材料構築超短溝道場效應電晶體器件，驗證了單層二硫化鉬對短溝道效應的超強免疫性及其在未來5納米工藝節點電子器件中的應用優勢。
相關研究成果發表在《先進材料》上。該研究得到了國家重點基礎研究發展計劃，國家自然科學基金，中科院前沿科學重點研究項目、戰略性先導科技專項的資助。
論文連結
a，MoS2超短溝道器件頂柵結構側視圖；b、c，9nm短溝道器件輸出、轉移特性曲線；d，4nm短溝道器件轉移特性曲線；e，器件性能隨溝道長度變化的關係。
傳統矽基半導體器件的小型化進程逐漸接近其物理極限，尋找新的材料、發展新的技術使器件尺寸進一步縮小仍是該領域的發展趨勢。傳統矽基場效應電晶體要求溝道厚度小於溝道長度的1/3，以有效避免短溝道效應。但受傳統半導體材料限制，溝道厚度不能持續減小。近年來，利用二維半導體材料來構造短溝道電晶體器件已經成為一個前沿探索的熱點課題。二維材料因其達到物理極限的厚度成為一種構造超短溝道電晶體的潛在材料，理論上可以有效降低短溝道效應。但構造一個真正的三端亞5納米短溝道場效應電晶體器件來有效避免短溝道效應，還存在技術上的挑戰。
針對如何利用二維半導體材料構築短溝道電晶體的問題，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件實驗室N07組博士研究生謝立等在研究員張廣宇、時東霞的指導下，針對器件結構中的溝道、電極、及柵介質等幾種核心材料，設計了一種基於全二維材料構築的新型短溝道電晶體器件。針對接觸電極材料，在前期工作基礎上，發展了基於晶界的刻蝕和展寬技術製備出石墨烯納米間隙電極，間隙尺寸在3納米以上可控。利用幹法轉移技術將作為溝道材料的單層二硫化鉬，與作為柵介質材料的少層氮化硼依次進行疊層，構造出具有一系列不同溝道長度的單層二硫化鉬場效應電晶體器件，最小溝道長度為～4納米。利用石墨烯作為電極和二硫化鉬接觸具有兩方面的優點，即極低的接觸電阻和極弱的邊緣效應，從而達到電場對溝道載流子的高效調控。器件的電學測試結果表明，當溝道長度大於9納米時，其關態電流小於0.3pA/µm, 開關比大於107，遷移率可達30cm2V-1s-1，亞閾值擺幅～93mV·dec−1，漏致勢壘降低＜0.425V·V−1，短溝道效應可以忽略；當溝道長度低至4納米時，短溝道效應開始出現但仍較弱。此外，這種短溝道器件可以承載超大電流密度大於500µA/µm，為目前報導的最高值。該研究利用全二維材料構築超短溝道場效應電晶體器件，驗證了單層二硫化鉬對短溝道效應的超強免疫性及其在未來5納米工藝節點電子器件中的應用優勢。
相關研究成果發表在《先進材料》上。該研究得到了國家重點基礎研究發展計劃，國家自然科學基金，中科院前沿科學重點研究項目、戰略性先導科技專項的資助。
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a，MoS2超短溝道器件頂柵結構側視圖；b、c，9nm短溝道器件輸出、轉移特性曲線；d，4nm短溝道器件轉移特性曲線；e，器件性能隨溝道長度變化的關係。