Nano Lett.: 亚10纳米超短沟道的二维材料场效应管

【引言】

随着晶体管尺寸的缩小，硅基材料逐渐接近它的物理极限，因此寻找新材料成为目前的迫切需求。随着沟道宽度下降，会导致“短沟道效应” （当沟道缩短到一定程度时，阈值电压变低等等，为了避免这一情况，一般需要沟道宽度为沟道厚度的3倍以上）。二维材料由于天然的超薄厚度，可以有效避免短沟道效应，因此采用二维材料作为沟道材料的场效应晶体管理论上可以获得极低的器件尺寸。近日，Science报道了采用直径为1nm的碳纳米管作为栅电极的的二维MoS₂场效应管。遗憾的是，该器件的沟道宽度仍然有数百纳米，因而并不是真正意义上的1nm尺寸的场效应管。并且该方法也不利于大规模的器件集成制备。因此，超短沟道场效应管和它的规模集成仍然是一个悬而未决的问题。

【成果简介】

近日，来自成都电子科技大学的熊杰教授（通讯作者）、国家纳米中心的刘前教授（通讯作者）和何军教授（通讯作者）等人报道了一种新颖、通用的方法来制备高质量的亚10 纳米沟道。其中关键是先在硅衬底上沉积一层Bi₂O₃缓冲层，然后利用稀硝酸对Bi₂O₃薄膜解理面的优先腐蚀获得纳米级宽度的间隙。采用这一方法，他们最终获得了超短沟道（8.2 nm）的MoS₂场效应管。该场效应管的开关比达到了10⁶，亚临界摆幅（Subthreshold Swing）为140 mV/dec, 并且没有发现明显的短沟道效应。在此基础上，研究人员集成了两个超短沟道，制备出具有高电压增益的数字逆变器。这项工作给出了一种制造超短沟道的新方法，为制备具有超短沟道的二维材料场效应管及相关集成电路打下了基础，同时也为未来设计大面积集成器件提供了一种新思路。

【图文导读】

图1 一种制备竖直、平行、具有准周期性的亚10纳米间隙的方法

(a) 制备亚10纳米间隙的流程示意图。

(b) 平行且具有准周期性的纳米间隙的SEM图。

(c) 纳米间隙的截面TEM图。

(d) 选区电子衍射说明解理面为{110}面。

(e) 纳米间隙的宽度，如图中所示范围从10 纳米至140 纳米，可以通过调整HNO₃的腐蚀时间来控制。

图2 超短沟道场效应管的制备流程及其结构表征

(a)-(f) 制备亚10 纳米的MoS₂场效应管的流程示意图。

(g)-(i) 亚10纳米超短沟道的SEM图。白色标尺为10纳米。

(j) MoS₂采用传统CVD方法制备，以MoO₃和硫粉为前驱体。MoS₂的纳米片尺寸约为20 µm。

(k) 单层MoS₂和MoS₂/HfO₂复合结构的拉曼光谱对比。可以发现峰位没有明显变化，表明HfO₂覆盖MoS₂后并没有损坏MoS₂的结构。

图3 超短沟道MoS₂场效应管

(a)(b) 分别为在沉积栅电极之前，MoS₂场效应管光学照片和 SEM照片。从SEM中可以看出沟道的宽度为2 nm。

(c)(d) 分别为沟道电流随栅极电压和漏极电压的变化情况。从中可以发现该器件没有明显的短沟道效应。

(e) 为了获得更好的开关性能，研究人员也制备了多层MoS₂场效应管，沟道宽度为9.6 nm，图中显示了沟道电流随栅极电压的变化曲线。

(f) 图中比较了两种场效应管的开关比以及亚临界摆幅。其中，9.6 nm沟道宽的场效应管具有更高的开关比，而8.2 nm沟道宽的场效应管由于采用了单层MoS₂，  因此具有更低的亚临界摆幅。

图4 集成化数字逆变器

(a)(b) 分别为由两个超短沟道构成的数字逆变器的结构示意图和光学显微照片。

(c)(d) 两个超短沟道的电流随栅极电压的变化情况，可以看到，它们可以通过分别控制各自的栅电压独立工作。

(e) 在不同工作电压下，输出电压V_out随输入电压V_in的变化曲线。

(f) 电压增益随工作电压和输入电压的变化情况。电压增益的计算公式为−dV_out/dV_in。可以看到电压增益最高值超过2，说明这一数字逆变器适用于大规模逻辑器件阵列集成。

【小结】

该文提出了一种新颖且通用的技术来制备具有超短沟道的场效应管以及相关的逻辑器件。文章报道了8.2 nm沟道的场效应管，采用6 nm厚的HfO₂作为栅极材料，其开关比达到10⁶，亚临界摆幅为140 mV/dec。 在此基础上，制备了由两个超短沟道构成的数字逆变器且具有较高的电压增益，适用于大规模逻辑器件阵列集成。这些结果表明，这项技术可以用来制造新型的二维电子器件，同时也为未来大面积器件集成提供了可能性。

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

本文由材料人电子电工学术组Dream供稿，材料牛整理编辑。

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