研究人员开发出基于二维半导体制造高性能晶体管的方法

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合

阿卜杜拉国王科技大学、苏州大学等研究人员最近推出了一种可以制造基于二维半导体的性能更好的晶体管的方法。

二维材料是一大类材料的统称,指的是在一个维度上材料尺寸减小到极限的原子层厚度,而在其他两个维度,材料尺寸相对较大。最典型也是最早实验证明的二维材料是石墨烯。2004年,K. S. Novoselov等人在Science杂志发表文章,报道了通过机械剥离的方法从高取向的裂解石墨中获得了石墨烯,且证明了其独特优异的电学性质。自此之后,以石墨烯为代表的二维材料获得了快速的发展,新的二维材料如雨后春笋般涌现。得益于其原子层厚度方向上的量子局限效应,这些二维材料展示出与其对应的三维结构截然不同的性质,因此受到了科学界和工业界的广泛关注。

除石墨烯之外,其他的二维材料还包括：单元素的硅烯、锗烯、锡烯、硼烯和黑磷等,过渡金属硫族化合物如MoS2、WSe2、ReS2、PtSe2、NbSe2等,主族金属硫族化合物如GaS、InSe、SnS、SnS2等,以及其他二维材料如h-BN、CrI3、NiPS3、Bi2O2Se等。这些二维材料具有完全不同的能带结构以及电学性质,覆盖了从超导体、金属、半金属、半导体到绝缘体等材料类型。同时,他们也具有优异的光学、力学、热学、磁学等性质。通过堆垛种类不同的二维材料,可以构筑功能性更强的材料体系。因此,这些材料有望在高性能电子器件、光电子器件、自旋电子器件以及能源转换和存储等领域得到应用。

阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST)、苏州大学和全球其他机构的研究人员最近推出了一种方法，可以制造基于二维半导体的性能更好的晶体管。他们提出的设计在《自然电子学》的一篇论文中概述，需要使用六方氮化硼 (h-BN) 电介质和具有高内聚能的金属栅极电极。

“最初，我们发现，当我们使用铂 (Pt) 作为阳极时，h-BN 堆栈不太可能引发电介质击穿，”该论文的第一作者 Yaqing Shen 告诉 Tech Xplore。“基于这一发现，我们设计了实验，发现 Pt/h-BN 栅极堆栈的漏电流比 Au/h-BN 栅极堆栈低 500 倍，并且具有至少 25 MV/cm 的高介电强度。这让我们想到在 2D 晶体管中使用 CVD h-BN 作为栅极电介质。”

Shen、Mario Lanza 教授及其同事使用化学气相沉积的 h-BN 作为电介质制造了 1,000 多个器件。当他们评估这些器件时，他们发现 h-BN 栅极电介质与高内聚能金属（如 Pt 和钨 (W)）的兼容性最好。

“为了制造具有垂直 Pt/h-BN/MoS2结构的晶体管，我们首先使用丙酮、酒精和去离子水中的超声波清洗 SiO2/Si 基板，”Shen 解释说。“使用电子束光刻技术在该基板上图案化源极和漏极电极 (Ti/Au) ，并通过电子束沉积进行沉积。随后，将 MoS2从天然晶体上剥离并转移到这些电极上以形成通道。通过湿转移将 CVD h-BN 膜转移到该结构上。”

作为晶体管制造工艺的最后一步，研究人员使用电子束光刻技术对 Pt 栅极电极进行图案化，然后使用一种称为电子束蒸发的技术进行沉积。该团队的晶体管中MoS2 和 h-BN之间的干净范德华界面提高了其可靠性和性能，最大限度地减少了缺陷并增强了栅极控制。

Shen 表示：“我们发现，与人们认为 CVD h-BN 是一种不良栅极电介质的观点相反，选择合适的金属电极可使其在具有 MoS2通道的场效应晶体管中得到有效利用。MoS2和 h-BN 形成干净的范德华界面，从而提高可靠性。我们的研究结果表明，使用 Pt 和 W 等高粘结能金属可使 CVD h-BN 成为 2D 晶体管中的有效栅极电介质。”

到目前为止，该研究团队制造二维半导体晶体管的方法被发现非常有前景，可以减少电流泄漏，并实现至少 25 MV cm -1的高介电强度。初步测试表明，与采用金 (Au) 电极的类似晶体管相比，基于 Pt 和 W 的栅极电极可将 h-BN 介电体上的漏电流降低约 500 倍。

Shen 及其同事的最新研究成果可能有助于利用 2D 材料制造可靠的固态微电子电路和设备。其他研究小组可能很快会探索类似的方法和材料，这可能导致开发出性能更佳的 2D 半导体设备。

“作为我们研究的下一步，我们计划开发超小型（纳米级）、全二维晶体管，以帮助延伸摩尔定律，”Shen 补充道。“我们还旨在解决二维通道和电极之间的接触问题，以提高设备性能。”

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