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与传统半导体工艺兼容的二维材料载流子调控与掺杂思路

在硅基集成电路工艺达到极限尺寸之际,引入以石墨烯和过渡金属硫化物为代表的二维电子材料有望解决目前半导体技术存在的一些问题。而要实现基于二维材料的集成电路,需要对构成晶体管的各个组成部分进行可控掺杂,以及优化接触电阻和介质界面。在硅基集成电路工艺中,通过离子注入实现沟道n型和p型载流子控制,而源/漏电极接触也通过高掺杂实现欧姆接触。对于只有原子层厚度的二维材料电子器件而言,无法通过类似工艺实现沟道载流子控制,以界面修饰或物理化学吸附等方式实现的掺杂往往难以实现载流子的精确控制,并且与目前的半导体工艺并不兼容。因此,实现二维半导体材料中的载流子控制对于获得精确可控的晶体管性能,进而推进其在大规模半导体产业的应用具有至关重要的作用。

与传统半导体工艺兼容的二维材料载流子调控与掺杂思路

最近,香港理工大学应用物理系柴扬教授课题组通过改变WSe2厚度或者沉积氧化物薄层的技术,实现了多数载流子可控的WSe2晶体管。该研究在系统研究WSe2随厚度变化的能带结构的基础上,根据其特有的导带底(CBM)和价带顶(VBM)位置随厚度的变化及其与特定电极功函数的相对变化,采用Ni作为源/漏接触电极,获得了p型(< 4 nm),双极型(~ 6 nm)和n型(> 15 nm)的WSe2晶体管。以此为基础可以构建利用厚度特性变化的新型电子器件,该研究展示了一个具有非对称厚度的横向二极管作为光电探测器。此外,相对于其他过渡金属硫化物,WSe2具有较高的VBM。通过淀积MoO3等具有较大功函数的氧化层,可以实现过渡金属硫化物与氧化物之间的有效电荷转移,最终实现载流子调控。该项研究所提出的利用WSe2厚度进行多数载流子控制以及采用常规沉积氧化物等技术实现掺杂的方法,均可与现有半导体工艺兼容,为实现性能可控的二维材料电子器件提出了新的研究思路。

相关论文在线发表在 Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201600292)上。

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