段曦東課題組在驗證二維半導體性能極限上取得重要進展
通訊員：吳瑞霞 發布時間：2022-08-10 浏覽量：次
8月8日，2003网站太阳集团段曦東教授課題組在國際頂級期刊《Nature Electronics》在線發表題為“Bilayer tungsten diselenide transistors with on-state currents exceeding 1.5 milliamperes perMicrometre”的研究論文。
為了驗證基于二維半導體晶體管性能确實能夠取代或者超越傳統矽基半導體，段曦東教授團隊開發了原位生長金屬二維半導體，構築無損的範德華電接觸技術，以此制備二維晶體管，有效避免傳統光刻制造或金屬集成工藝帶來的表面污染、損傷和界面紊亂等問題，有利于表征二維半導體本征性能。團隊進一步發展熱應力可控産生晶界裂紋技術，控制相鄰二維金屬晶界間隙尺寸，自然定義了晶體管溝道。由此團隊制備了溝道長度低于100nm的短溝道的、由二維金屬形成範德華電接觸的二維半導體晶體管原型管。團隊在溝道長度為亞100納米的二維半導體晶體管上普遍實現了大于1.50mA/μm的開态電流密度，特别是在20 nm的雙層WSe2晶體管上實現了高達1.72mA/μm的開态電流密度的世界紀錄。晶體管同時具有低于0.50kΩ·μm的開态電阻、高的開關比。工作首次證實二維晶體管已經達到取代目前先進制程矽基半導體器件水平。團隊的工作以巧妙的實驗設計，堅實的實驗結果對領域内長期存在的“二維半導體晶體管究竟能否獲得比拟或者優于傳統矽基半導體晶體管的性能”的疑問做出了肯定的回答，必将吸引半導體、芯片領域的專家和産業界、投資界的注意，推動矽基半導體後的新一代二維半導體、芯片技術的發展。
VSe2作為接觸電極的雙層WSe2短溝道生長調控。
超短溝道雙層WSe2晶體管的TEM表征。
二維半導體由于具有原子薄的厚度、表面可以原子級潔淨、無懸挂鍵、在單個或幾個原子層厚度下仍表現出優異的電學特性，可有效免疫短溝道效應，這些特性對于晶體管的持續微縮是必不可少的。這一想法已經在國際設備與系統路線圖（IRDS）中得到表達。在大量的文獻中使用許多不同的方法構造了基于二維半導體的晶體管，報道了二維半導體可以獲得較高載流子遷移率或低接觸電阻。但是載流子遷移率、接觸電阻作為常用來評估二維半導體性能的參數都是經過複雜推導得到的，可能産生嚴重的誤差，導緻器件性能的評估模棱兩可，有時甚至相互矛盾，從而引發了有關二維半導體究竟能達到怎樣的極限性能、究竟能否取代矽基半導體的疑問。
為了回答此疑問并可靠地展示二維半導體晶體管的潛力，作者提出使用開态電流密度（Ion）或飽和電流密度提供一種更直接、更可靠的方法來評估二維半導體的實際潛力。Ion是晶體管的一個關鍵參數，它直接決定晶體管的速度和固有栅極延遲到。而且Ion是用儀表直接測量的，誤差可控。此外，開态電阻(Ron)也是評估溝道材料的内在電勢的重要性能參數。與遷移率或接觸電阻相比，Ion或Ron是直接測量的參數，具有最簡單的推導和較小的不準确性。
具體地，段曦東教授課題組在二維半導體WSe2溝道上直接通過化學氣相沉積工藝（不進行直接光刻和金屬化工藝以及帶有機膠的轉移工藝）制備了二維金屬VSe2，形成雙層WSe2晶體管的理想的範德華接觸，極大地降低了接觸電阻。在雙層WSe2上範德華外延VSe2時，VSe2晶界處在冷卻過程中由于VSe2和WSe2的熱膨脹系數不同，晶界被拉開而自然形成亞100納米間隙，自然定義了溝道長度。這樣無需常規光刻或金屬化工藝即可在原子級薄厚度的二維半導體材料WSe2上獲得超短溝道（最短至6nm）晶體管。。掃描透射電子顯微鏡研究表明，所得的晶體管結構保留了原始的雙層WSe2通道，并在雙層WSe2與合成的VSe2觸點之間具有原子清潔的界面，沒有明顯的污染或缺陷。對晶體管性能進行測量表明所得的低于100 nm的雙層WSe2晶體管可以在1.0 V左右小的偏壓下達到1.50 mA μm-1的超高Ion。特别是，在室溫下，在溝道長度為20 nm，厚度為1.3 nm的雙層WSe2晶體管中，獲得了Ion為1.72 mA μm-1的單雙層二維半導體晶體管開态電流密度的世界紀錄。其中的Ron僅僅為0.50 kΩ·μm。該研究突破了二維晶體管的性能極限，首次證明了原子級厚度的二維晶體管在Ion方面與矽晶體管相比具有競争優勢，展示了二維半導體材料對于未來電子産品的巨大潛力。
超短溝道雙層WSe2晶體管的電學性能測試。
超短溝道雙層WSe2晶體管的性能突破。
2003网站太阳集团段曦東教授是該工作的通訊作者，2003网站太阳集团博士研究生吳瑞霞和2003网站太阳集团物理與微電子科學學院陶全洋是該工作的第一作者。該工作的主要合作者還有2003网站太阳集团物理與微電子科學學院劉淵教授、2003网站太阳集团半導體學院廖蕾教授、2003网站太阳集团機械與運載工程學院段輝高教授、2003网站太阳集团李佳副教授，2003网站太阳集团半導體學院黎博副教授，等等。該工作得到了來自國家自然科學基金、湖南省創新群體項目的資助。
來源：化工院
責任編輯：蔣鼎邦
