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界面工程可提高二维层状半导体的迁移率

场效应晶体管是集成电路中最基本的逻辑单元。过去50年,硅基晶体管根据摩尔定律的预测,尺寸不断减小,性能不断提高,然而短沟道效应导致的功耗问题使得硅基集成电路逐渐接近其物理极限。二维层状材料可以将载流子限制在界面附近1nm的空间内,有效抑制短沟道效应,降低功耗;同时具有高迁移率,带隙可调控等特点。因此国际上普遍认为二维材料是最有希望在微电子和光电子领域带来变革的材料之一。


二维材料的电子器件研究,早期主要集中在高迁移率的石墨烯材料上。但是石墨烯的零带隙问题始终没有得到很好的解决,限制了其在逻辑器件方面的应用。近几年,MoS2、WS2等二维过渡金属硫族化合物逐渐得到广泛关注。这类材料具有1-2eV的带隙,可以实现高开关比、低功耗的逻辑器件,解决了石墨烯在电子器件应用中的最大瓶颈,但是其主要问题是迁移率不高。以单层MoS2为例,目前报道的室温电子迁移率均不超过100cm2/Vs,远低于理论预期。前期研究表明界面的带电杂质、电荷陷阱、以及材料的缺陷等因素是主要的制约因素。


界面工程可提高二维层状半导体的迁移率

针对上述问题,南京大学电子科学与工程学院的王欣然施毅教授课题组提出利用高介电常数衬底以及高浓度载流子的屏蔽效应,有效抑制界面的杂质散射,提高MoS2晶体管性能。课题组利用原子层沉积技术在SiO2衬底上沉积一层10nm厚的高介电常数氧化物(Al2O3或HfO2),并利用前期发展硫醇化学方法对MoS2进行高质量的界面修饰。研究人员发现在同等条件下,Al2O3与HfO2衬底上的单层MoS2晶体管迁移率均高于SiO2上的器件,验证了理论提出的屏蔽效应。在HfO2衬底上,实现了室温迁移率近150cm2/Vs的单层MoS2晶体管,是目前报道的最高记录。论文合作单位新加坡高性能计算中心的张刚博士课题组对MoS2中的各种散射机制做了定量分析,发现在室温下杂质散射对迁移率的影响首次低于声子散射,表明器件性能已经接近其本征极限。

该项工作发表在Advanced MaterialsDOI: 10.1002/adma.201503033)上。


课题组发展的界面工程方法也可以用于其他二维半导体器件。在另外一个工作中,课题组系统研究了单层WS2晶体管,发现10nm Al2O3可以减少界面处的电荷陷阱,使WS2的电子迁移率提高近一倍。结合Al2O3衬底与硫醇界面修饰,课题组在单层WS2晶体管中也实现了83cm2/Vs的室温最高迁移率。该项工作发表在Advanced MaterialsDOI: 10.1002/adma.201502222)。


这两项工作证明界面工程是实现高性能二维半导体器件的有效方法,为二维材料的器件应用奠定了基础。




界面工程可提高二维层状半导体的迁移率

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