Nano Letters：高性能单层二硫化钼短沟道场效应管

钢铁侠 7年前 (2018-05-22) 9404浏览

【引言】

具有亚纳米厚度的二维半导体材料被认为有望替代硅，克服短沟道效应并继续缩小场效应管。尽管单层二硫化钼（MoS2）已通过实验和理论方法证明了在亚10 nm沟道长度量级上可以提供高开关比，想实现真正高性能的二硫化钼短沟道场效应管还面临很多挑战。首先，本征二硫化钼与金属接触电阻很大，而现在并没有可靠易操作的方法在纳米尺度下对二维材料进行精准可控的掺杂。其次，二硫化钼与硅不同，表面难以生长高质量超薄的金属氧化物作为栅极电介质层。因此，尽管二硫化钼场效应管在沟道较长时能够提供高开关比（on/off）和低亚临界摆幅（SS），当沟道长度真正缩减至10 nm量级时，器件的性能与工业要求相差较远，且器件的结构设计往往难以与现有的加工技术兼容。

【成果简介】

今日，来自美国哥伦比亚大学的James Hone教授（通讯作者），博士后研究员祝毅博（第一作者）以及来自南京大学、韩国SKKU、美国ARL和新加坡南洋理工的研究人员共同报道了一种简单、可靠并有望实现大面积生产的方法，用于解决二维半导体材料的高接触电阻和与超薄电介质层相结合的难题，并展示了高性能14 nm短沟道MoS2场效应管。与经常使用的顶栅场效应管结构不同，文章中所报道的器件使用了底部栅极，并由单层石墨烯构成。石墨烯的表面粗糙度和厚度均在原子尺度级别，因此与常用的金属电极不同，石墨烯电极有效地减小了由于电极表面粗糙不平、侧壁过高等原因引起的栅极漏电流，尤其是当栅极电介质层厚度只有几个纳米时。

由此带来的好处有两点：首先，可以在石墨烯栅极上施加高栅压来调控覆盖在漏源电极下的MoS2的掺杂程度和接触电阻。文中展现了当单层MoS2掺杂程度为4.6 ×1013/cm2时，其与金属镍的接触电阻将至2.3 kٞµm。而对接触电阻的有效调控也使得器件在室温下展现出接近热力学极限的SS = 64 mV/decade。在此基础上，当栅极电介层减至5纳米厚时，50 nm沟道长度的器件SS = 73 mV/decade，14 nm的器件SS = 86.5 mV/decade，且没有出现明显的短沟道效应。值得注意的是，该项研究中所用的所有材料（石墨烯，MoS2及金属氧化物HfO2）均为化学沉积方法制备，且材料的处理转移方法高效环保，这对于器件量产至关重要。另外，器件的设计和操作简单，与现有的硅场效应管类似，而且从原理上来说对于n或p型半导体均适用，因此对使用单层二维材料生产高性能集成电路的可行性提供了重要的依据。研究成果以Monolayer Molybdenum Disulfide Transistors with Single-Atom-Thick Gates为题于近期发表在Nano Letters上。

【图文导读】

图一、器件结构 和显微镜表征

（a）器件结构示意图；（b）MoS2/HfO2/Gr结构的光学显微镜图；（c）MoS2/HfO2/Gr结构的拉曼光谱；（d）器件的SEM图；（e）器件的AFM图。

图二、HfO2 电学性能，以及MoS2-Ni接触电阻表征

（a）击穿电压测试；（b）击穿电场与氧化层厚度的关系；（c）-（d）HfO2电介常数测试；（e）接触电阻对于性能的影响；（f）接触电阻随栅极电压的变化。

图三、器件电学性能表征

（a）-（c）当HfO2约为16 nm厚时的器件输出特性曲线，转移特性曲线和不同沟道长度下的场效应载流子迁移率；（d）- （f）当HfO2约为8 nm厚时的转移特性曲线和多个器件的性能统计。

图四、短沟道器件电学性能

（a）- （b）50 nm沟道的SEM图和转移特性曲线；（c）-（d）14 nm沟道的SEM图和转移特性曲线；（e）短沟道器件在不同漏源电压下的开关比。

图五、PEN柔性衬底上器件的电学性能

（a）器件显微镜图和照片；（b）柔性衬底上器件的转移特性曲线。

【小结】

文章提出了简单可靠的方法实现高性能短沟道单层MoS2场效应管。实现了超薄金属氧化层与单层二维半导体的结合，增强了栅极对沟道和接触电阻的调控。这一方法不仅能够用于电子器件研究中，也可以用于研究材料在高掺杂和高电场下的物理特性。另外，石墨烯的透明性质也对于研究器件的光学性能提供了方便。

文献链接：Monolayer Molybdenum Disulfide Transistors with Single-Atom-Thick Gates, (Nano Letters, 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01091

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