Nano Letters：高性能單層二硫化鉬短溝道場效應管

【引言】

具有亞納米厚度的二維半導體材料被認為有望替代硅，克服短溝道效應并繼續縮小場效應管。盡管單層二硫化鉬（MoS₂）已通過實驗和理論方法證明了在亞10 nm溝道長度量級上可以提供高開關比，想實現真正高性能的二硫化鉬短溝道場效應管還面臨很多挑戰。首先，本征二硫化鉬與金屬接觸電阻很大，而現在并沒有可靠易操作的方法在納米尺度下對二維材料進行精準可控的摻雜。其次，二硫化鉬與硅不同，表面難以生長高質量超薄的金屬氧化物作為柵極電介質層。因此，盡管二硫化鉬場效應管在溝道較長時能夠提供高開關比（on/off）和低亞臨界擺幅（SS），當溝道長度真正縮減至10 nm量級時，器件的性能與工業要求相差較遠，且器件的結構設計往往難以與現有的加工技術兼容。

【成果簡介】

今日，來自美國哥倫比亞大學的James Hone教授（通訊作者），博士后研究員祝毅博（第一作者）以及來自南京大學、韓國SKKU、美國ARL和新加坡南洋理工的研究人員共同報道了一種簡單、可靠并有望實現大面積生產的方法，用于解決二維半導體材料的高接觸電阻和與超薄電介質層相結合的難題，并展示了高性能14 nm短溝道MoS₂場效應管。與經常使用的頂柵場效應管結構不同，文章中所報道的器件使用了底部柵極，并由單層石墨烯構成。石墨烯的表面粗糙度和厚度均在原子尺度級別，因此與常用的金屬電極不同，石墨烯電極有效地減小了由于電極表面粗糙不平、側壁過高等原因引起的柵極漏電流，尤其是當柵極電介質層厚度只有幾個納米時。

由此帶來的好處有兩點：首先，可以在石墨烯柵極上施加高柵壓來調控覆蓋在漏源電極下的MoS₂的摻雜程度和接觸電阻。文中展現了當單層MoS₂摻雜程度為4.6 ×10¹³/cm²時，其與金屬鎳的接觸電阻將至2.3 kΩ?μm。而對接觸電阻的有效調控也使得器件在室溫下展現出接近熱力學極限的SS = 64 mV/decade。在此基礎上，當柵極電介層減至5納米厚時，50 nm溝道長度的器件SS = 73 mV/decade，14 nm的器件SS = 86.5 mV/decade，且沒有出現明顯的短溝道效應。值得注意的是，該項研究中所用的所有材料（石墨烯，MoS₂及金屬氧化物HfO₂）均為化學沉積方法制備，且材料的處理轉移方法高效環保，這對于器件量產至關重要。另外，器件的設計和操作簡單，與現有的硅場效應管類似，而且從原理上來說對于n或p型半導體均適用，因此對使用單層二維材料生產高性能集成電路的可行性提供了重要的依據。研究成果以Monolayer Molybdenum Disulfide Transistors with Single-Atom-Thick Gates為題于近期發表在Nano Letters上。

【圖文導讀】

圖一、器件結構 和顯微鏡表征

（a）器件結構示意圖；（b）MoS₂/HfO₂/Gr結構的光學顯微鏡圖；（c）MoS₂/HfO₂/Gr結構的拉曼光譜；（d）器件的SEM圖；（e）器件的AFM圖。

圖二、HfO₂ 電學性能，以及MoS₂-Ni接觸電阻表征

（a）擊穿電壓測試；（b）擊穿電場與氧化層厚度的關系；（c）-（d）HfO₂電介常數測試；（e）接觸電阻對于性能的影響；（f）接觸電阻隨柵極電壓的變化。

圖三、器件電學性能表征

（a）-（c）當HfO₂約為16 nm厚時的器件輸出特性曲線，轉移特性曲線和不同溝道長度下的場效應載流子遷移率；（d）- （f）當HfO₂約為8 nm厚時的轉移特性曲線和多個器件的性能統計。

圖四、短溝道器件電學性能

（a）- （b）50 nm溝道的SEM圖和轉移特性曲線；（c）-（d）14 nm溝道的SEM圖和轉移特性曲線；（e）短溝道器件在不同漏源電壓下的開關比。

圖五、PEN柔性襯底上器件的電學性能

（a）器件顯微鏡圖和照片；（b）柔性襯底上器件的轉移特性曲線。

【小結】

文章提出了簡單可靠的方法實現高性能短溝道單層MoS₂場效應管。實現了超薄金屬氧化層與單層二維半導體的結合，增強了柵極對溝道和接觸電阻的調控。這一方法不僅能夠用于電子器件研究中，也可以用于研究材料在高摻雜和高電場下的物理特性。另外，石墨烯的透明性質也對于研究器件的光學性能提供了方便。

文獻鏈接：Monolayer Molybdenum Disulfide Transistors with Single-Atom-Thick Gates, (Nano Letters, 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01091

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