北大彭練矛院士、邱晨光團隊最新Nature Electronics:?基于二維晶圓的釔摻雜相變歐姆接觸工程

研究背景

傳統硅基技術在亞3 nm節點接近其物理極限，亟需新的半導體材料來實現集成電路的進一步縮放。二維半導體憑借其原子級超薄結構和高遷移率優勢，能夠在超短溝道晶體管中實現優異的靜電控制和開態特性，被視為亞1 nm技術節點芯片的潛力材料，受到全球領先半導體企業和研究機構（如英特爾、臺積電、三星和歐洲微電子中心）的高度關注。然而，二維晶體管面臨嚴重的金屬-半導體接觸費米能級釘扎效應，這極大的制約了器件的性能。因此，如何實現二維半導體和金屬電極的歐姆接觸是制備高性能彈道晶體管的關鍵因素。此外，目前國際上展示的高性能二維晶體管多基于機械剝離或厘米級的二維單晶，如何基于晶圓級二維半導體實現高性能晶體管的規模化制備，是推動二維電子學從實驗室走向工業應用（Lab-to-Fab）的核心挑戰。

研究成果

近期，北京大學電子學院彭練矛院士-邱晨光研究員課題組在二維半導體集成工藝方面提出了“稀土釔元素誘導相變理論”，并發明了“原子級精準選區摻雜技術”，突破了傳統離子注入摻雜結深無法小于5納米的工程限制，首次將源漏選區的摻雜深度推進到單原子層0.5納米極限，并基于二維半導體晶圓制備出規模化的超短溝道彈道晶體管，實現了理想的歐姆接觸和開關特性，有潛力構建未來更高性能、更低功耗的亞1納米技術節點芯片。相關研究成果以“Yttruim-doping-induced metallization of molybdenum disulfide?for ohmic contacts in two-dimensional transistors”為題，2024年5月27日在線發表于《自然·電子學》（Nature?Electronics，網頁鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01176-2）。姜建峰博士與徐琳博士為共同第一作者，邱晨光研究員和彭練矛院士為共同通訊作者，北京大學電子學院為通訊單位。論文合作者為中科院物理所張廣宇研究員與杜羅軍研究員。

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技術革新

本研究工作實現了以下四方面技術革新：

1.開創性地提出了“稀土元素誘導二維金屬化理論”。該技術通過釔原子摻雜誘導的方式，將接觸區域的二維半導體轉變為二維金屬。并以此二維金屬作為金屬與半導體之間的緩沖層，抑制了界面處的費米釘扎效應，該緩沖層作為“橋梁”，有效地提高了載流子從金屬到半導體的傳輸效率。釔原子摻雜有效調控了二維金屬的費米能級的位置，以實現理想的能帶對齊和器件的歐姆接觸，克服了本征二維相變固有肖特基勢壘的科學挑戰。

2.發明了“原子級可控精準摻雜技術”。設計了超低功率軟等離子體-固態源活性金屬沉積-真空退火的三步法原子級摻雜工藝，有效地將固態源摻雜劑釔原子擴散注入進精細圖案化的二維接觸區域表面，這種新型的接觸摻雜策略可以兼容于1 nm技術節點的光刻工藝。

3.在晶圓級二維半導體中實現了理想的歐姆接觸。將接觸電阻推進至量子理論極限，器件總電阻低至235 Ω·μm，統計的傳輸線法（TLM）平均接觸電阻僅為69±13 Ω·μm，滿足國際半導體技術路線圖對集成電路未來節點晶體管電阻的要求。

4.在大規模超短溝道的二維晶體管陣列中展示出卓越的綜合電學特性。展示出理想的開關行為，并能有效地抑制短溝道效應，四個量級電流范圍內的平均亞閾值擺幅SS為67 mV/Dec；平均開態電流密度高達0.84 mA/μm；最大跨導提升至3.2 mS/μm，比其他同類二維TMDs器件提高近一個數量級。

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這項工作從物理機制上闡明了稀土元素釔摻雜相變技術的底層過程，并展示了晶圓級大規模制備高性能二維晶體管的可行性，器件的關鍵電子學參數滿足先進節點集成電路的要求，有力地證明了二維半導體在未來節點集成電路應用的性能潛力，為推動二維電子學從實驗室走向工業界（Lab-to-Fab）提供了重要的理論參考和實驗依據。

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圖1 Nature?Electronics官網論文截圖

圖2 單原子層摻雜誘導二維金屬化歐姆接觸技術的理論圖解

圖3 原子級摻雜誘導二維金屬化的系統表征

圖4 雙柵10 nm超短溝道二維晶體管的器件結構和歐姆接觸表征

圖5?在大規模制備的超短溝道二維晶體管陣列中展示出卓越的綜合電學特性

團隊介紹：

彭練矛教授

中國科學院院士，北京大學電子學院院長。1994年獲首批國家杰出青年科學基金資助，1999年入選首屆教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授。長期從事碳基電子學領域的研究，做出一系列基礎性和開拓性貢獻。四次擔任國家“973計劃”、重大科學研究計劃和重點研發計劃項目首席科學家。在《科學》《自然》等期刊發表SCI論文400余篇。相關成果獲國家自然科學二等獎（2010和2016年）、高等學校科學研究優秀成果獎（科學技術）自然科學一等獎（2013年）、北京市科學技術一等獎（2004年），入選中國科學十大進展（2011年）、中國高等學校十大科技進展（2000和2017年）、中國十大科技進展新聞（2000和2023年）。個人獲何梁何利基金科學與技術進步獎（2018年）、全國創新爭先獎（2017年）、推動“北京創造”的十大科技人物（2015年）、全國優秀博士學位論文指導教師（2009年）、北京大學首屆十佳導師（2013年）等榮譽。

邱晨光研究員

北京大學電子學院研究員，“博雅青年學者”。 國家基金委“優青”、國家重點研發計劃青年首席科學家、K*W 1*3 J*JQ 首席科學家、青橙獎獲得者、中國十大新銳科技人物。面向未來集成電路應用，從事納米電子器件方面研究，提出并實現了一系列器件底層新機理、新結構和新工藝。在Nature, Science, Nature Electronics, Nature Nanotechnology, ACS Nano, Nano Letters, AFM,IEDM等頂級國際期刊和會議上發表論文；以第一作者和通訊作者發表Science兩篇， Nature一篇。《5納米柵長碳納米管晶體管，Science》實現世界上最小尺寸的碳管晶體管，被TSMC列為后摩爾技術代表性突破性進展。入選ESI高被引用論文和熱點論文，入選2017年“中國高校十大科技進展”，“中國重大科學、技術和工程進展”，“中國100篇國際高影響論文”。《狄拉克冷源晶體管，Science》首次在國際上提出并實現冷源亞60超低功耗新器件機制，拓寬了超低功耗器件領域范圍，入選2018年“全國科創中心重大標志性原創成果”。《彈道InSe晶體管，Nature》首次將二維晶體管的性能推進超過業界Intel?硅基Fin晶體管，且性能超過IRDS預測的硅基極限，被國際同行評價為世界上彈道率最高、速度最快、功耗最低的二維晶體管，入選2023年“中國十大科技進展新聞”，“中國重大科學、技術和工程進展”，“中國半導體十大研究進展”。相關工作被人民日報（海外版）、中國科學報、光明日報和中科院網站等報道。

姜建峰博士

2024年于北京大學取得理學博士學位，師從彭練矛院士與邱晨光研究員，于六月起任麻省理工學院博士后研究員。面向集成電路芯片應用，致力于開發超越硅基極限的后摩爾新型二維電子技術，取得一系列具有高度原創性的研究成果，獲評2023年度“中國十大科技進展新聞”、“中國半導體十大研究進展”、“中國重大科學、技術、工程進展”。以第一作者身份在國際頂級學術期刊Nature、Nature Electronics發表相關研究成果，九篇一作論文累計影響因子超過200，入選ESI全球高被引論文和熱點論文（0.1%），公開國家發明專利十項和著作章節一篇。個人曾獲北京大學“學生五·四獎章”（北大學生最高榮譽），國家獎學金、北京大學校長獎學金、北京大學學術創新獎、北京大學電子學院首屆學術十杰（Top 1）、北京大學優秀科研獎等榮譽。

徐琳博士

加州大學圣芭芭拉分校博士后研究員，2020年于北京大學信息科學技術學院取得理學博士學位。從事后摩爾未來節點納米器件結構和物理研究。在Nature，Science，Nature Electronics，Nature Communication，Science Advance，IEEE Transactions on Electron Device，Applied Physics Letters，IEDM等雜志和會議上發表學術成果四十余篇。系統研究了低維材料器件的建模方法，包括緊湊模型、TCAD數值模擬及基于密度泛函的第一性原理計算。