Nano Lett.: 亞10納米超短溝道的二維材料場效應管

【引言】

隨著晶體管尺寸的縮小，硅基材料逐漸接近它的物理極限，因此尋找新材料成為目前的迫切需求。隨著溝道寬度下降，會導致“短溝道效應” （當溝道縮短到一定程度時，閾值電壓變低等等，為了避免這一情況，一般需要溝道寬度為溝道厚度的3倍以上）。二維材料由于天然的超薄厚度，可以有效避免短溝道效應，因此采用二維材料作為溝道材料的場效應晶體管理論上可以獲得極低的器件尺寸。近日，Science報道了采用直徑為1nm的碳納米管作為柵電極的的二維MoS₂場效應管。遺憾的是，該器件的溝道寬度仍然有數百納米，因而并不是真正意義上的1nm尺寸的場效應管。并且該方法也不利于大規模的器件集成制備。因此，超短溝道場效應管和它的規模集成仍然是一個懸而未決的問題。

【成果簡介】

近日，來自成都電子科技大學的熊杰教授（通訊作者）、國家納米中心的劉前教授（通訊作者）和何軍教授（通訊作者）等人報道了一種新穎、通用的方法來制備高質量的亞10 納米溝道。其中關鍵是先在硅襯底上沉積一層Bi₂O₃緩沖層，然后利用稀硝酸對Bi₂O₃薄膜解理面的優先腐蝕獲得納米級寬度的間隙。采用這一方法，他們最終獲得了超短溝道（8.2 nm）的MoS₂場效應管。該場效應管的開關比達到了10⁶，亞臨界擺幅（Subthreshold Swing）為140 mV/dec, 并且沒有發現明顯的短溝道效應。在此基礎上，研究人員集成了兩個超短溝道，制備出具有高電壓增益的數字逆變器。這項工作給出了一種制造超短溝道的新方法，為制備具有超短溝道的二維材料場效應管及相關集成電路打下了基礎，同時也為未來設計大面積集成器件提供了一種新思路。

【圖文導讀】

圖1 一種制備豎直、平行、具有準周期性的亞10納米間隙的方法

(a)?制備亞10納米間隙的流程示意圖。

(b) 平行且具有準周期性的納米間隙的SEM圖。

(c) 納米間隙的截面TEM圖。

(d) 選區電子衍射說明解理面為{110}面。

(e) 納米間隙的寬度，如圖中所示范圍從10 納米至140 納米，可以通過調整HNO₃的腐蝕時間來控制。

圖2 超短溝道場效應管的制備流程及其結構表征

(a)-(f) 制備亞10 納米的MoS₂場效應管的流程示意圖。

(g)-(i) 亞10納米超短溝道的SEM圖。白色標尺為10納米。

(j) MoS₂采用傳統CVD方法制備，以MoO₃和硫粉為前驅體。MoS₂的納米片尺寸約為20 μm。

(k) 單層MoS₂和MoS₂/HfO₂復合結構的拉曼光譜對比。可以發現峰位沒有明顯變化，表明HfO₂覆蓋MoS₂后并沒有損壞MoS₂的結構。

圖3 超短溝道MoS₂場效應管

(a)(b) 分別為在沉積柵電極之前，MoS₂場效應管光學照片和 SEM照片。從SEM中可以看出溝道的寬度為2 nm。

(c)(d) 分別為溝道電流隨柵極電壓和漏極電壓的變化情況。從中可以發現該器件沒有明顯的短溝道效應。

(e) 為了獲得更好的開關性能，研究人員也制備了多層MoS₂場效應管，溝道寬度為9.6 nm，圖中顯示了溝道電流隨柵極電壓的變化曲線。

(f) 圖中比較了兩種場效應管的開關比以及亞臨界擺幅。其中，9.6 nm溝道寬的場效應管具有更高的開關比，而8.2 nm溝道寬的場效應管由于采用了單層MoS₂，? 因此具有更低的亞臨界擺幅。

圖4 集成化數字逆變器

(a)(b) 分別為由兩個超短溝道構成的數字逆變器的結構示意圖和光學顯微照片。

(c)(d) 兩個超短溝道的電流隨柵極電壓的變化情況，可以看到，它們可以通過分別控制各自的柵電壓獨立工作。

(e) 在不同工作電壓下，輸出電壓V_out隨輸入電壓V_in的變化曲線。

(f) 電壓增益隨工作電壓和輸入電壓的變化情況。電壓增益的計算公式為?dV_out/dV_in。可以看到電壓增益最高值超過2，說明這一數字逆變器適用于大規模邏輯器件陣列集成。

【小結】

該文提出了一種新穎且通用的技術來制備具有超短溝道的場效應管以及相關的邏輯器件。文章報道了8.2 nm溝道的場效應管，采用6 nm厚的HfO₂作為柵極材料，其開關比達到10⁶，亞臨界擺幅為140 mV/dec。 在此基礎上，制備了由兩個超短溝道構成的數字逆變器且具有較高的電壓增益，適用于大規模邏輯器件陣列集成。這些結果表明，這項技術可以用來制造新型的二維電子器件，同時也為未來大面積器件集成提供了可能性。

文獻鏈接：Sub-10 nm Nanopattern Architecture for 2D Material Field-Effect Transistors ( Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04576)

本文由材料人電子電工學術組Dream供稿，材料牛整理編輯。

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