高性能p型场效应晶体管：二维材料的替代掺杂与厚度控制

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二维材料 p型场效应晶体管 替代掺杂 厚度控制 接触电阻 量子限制效应 过渡金属二硫化物

高性能p型场效应晶体管：二维材料的替代掺杂与厚度控制

学术背景

随着半导体技术的不断发展，硅基场效应晶体管（FET）在性能提升方面逐渐接近物理极限。为了突破这一瓶颈，研究人员开始探索二维（2D）材料作为硅的潜在替代品。二维过渡金属二硫属化物（TMDs），如二硫化钼（MoS₂）、二硒化钼（MoSe₂）和二硒化钨（WSe₂），因其原子级平滑的表面和优异的电学性能，成为研究的热点。然而，尽管n型二维FET取得了显著进展，p型二维FET的发展却相对滞后。这主要是由于金属-二维材料接触界面处的费米能级钉扎效应，导致p型载流子注入效率低下，接触电阻（Rc）较高。

本文的研究旨在通过替代掺杂和厚度控制，解决p型二维FET的性能瓶颈问题。具体来说，作者通过在MoSe₂和WSe₂中引入钒（V）、铌（Nb）和钽（Ta）等掺杂剂，实现了p型掺杂，并通过优化材料厚度，显著降低了接触电阻，提升了器件性能。

论文来源

本文由Mayukh Das、Dipanjan Sen、Najam U Sakib等来自宾夕法尼亚州立大学（Penn State University）、布拉格化学与技术大学（University of Chemistry and Technology Prague）等机构的研究人员共同完成，并于2024年9月24日在线发表在《Nature Electronics》期刊上。

研究流程与结果

1. 材料制备与表征

研究首先通过化学气相传输（CVT）技术制备了掺杂V、Nb和Ta的MoSe₂和WSe₂单晶。通过电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）和扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）测量，确定了掺杂剂的浓度。结果表明，MoSe₂和WSe₂中V、Nb和Ta的掺杂浓度分别低于0.8 at.%和0.4 at.%。

为了验证掺杂剂是否实现了电激活，研究人员进行了霍尔效应测量。结果显示，所有掺杂样品均表现出p型载流子特性，且掺杂浓度与电激活浓度相符。例如，V、Nb和Ta掺杂的MoSe₂中，载流子浓度分别为1.51×10¹⁹ cm⁻³、1.57×10¹⁹ cm⁻³和5.36×10¹⁹ cm⁻³。

2. 器件制备与性能测试

研究人员通过机械剥离技术将掺杂晶体转移到硅基底上，并使用原子层沉积（ALD）技术生长了50 nm厚的氧化铝（Al₂O₃）作为背栅介质。通过电子束光刻和蒸发技术，定义了源极和漏极接触，并使用钯/金（Pd/Au）作为接触金属。Pd因其高功函数，有助于提高空穴注入效率。

通过对不同厚度的掺杂MoSe₂和WSe₂ FET进行电学性能测试，研究人员发现，厚层（4-6层）掺杂FET表现出较高的导通电流（Ion），但静电控制较差，导致开关比（Ion/Ioff）较低。而薄层（1-3层）FET则表现出较高的开关比，但由于量子限制效应（QCE），掺杂效果减弱，导致接触电阻较高，导通电流较低。

3. 密度泛函理论（DFT）计算

为了理解掺杂效果与材料厚度的关系，研究人员进行了DFT计算。结果表明，随着材料厚度的减少，掺杂效果减弱，这与实验观察到的现象一致。例如，在8层MoSe₂中，Nb掺杂的费米能级（Ef）相对于价带顶（Ev）的偏移为300 meV，而在1层MoSe₂中，这一偏移仅为30 meV。此外，DFT计算还显示，掺杂导致MoSe₂的带隙（Eg）变窄，这与掺杂剂原子半径引起的晶格应变有关。

4. 接触电阻的优化

通过传输线法（TLM）测量，研究人员发现，厚层掺杂FET的接触电阻显著降低。例如，Nb掺杂的MoSe₂ FET的接触电阻低至95 Ω·µm。然而，随着材料厚度的减少，接触电阻显著增加。为了在保持低接触电阻的同时实现良好的静电控制，研究人员提出了一种新型FET结构：在接触区域保持多层结构（>6层），而在沟道区域使用薄层（1-3层）材料。

5. 高性能双栅极FET

为了进一步提升器件性能，研究人员设计了一种双栅极FET结构。通过将沟道长度缩小至50 nm，并使用ALD生长的Al₂O₃作为顶栅和底栅介质，实现了更好的静电控制。实验结果显示，双栅极Nb掺杂MoSe₂ FET的导通电流高达212 µA/µm，开关比达到10⁴。

结论与意义

本研究通过替代掺杂和厚度控制，成功实现了高性能p型二维FET。研究结果表明，厚层掺杂可以有效降低接触电阻，但会牺牲静电控制；而薄层材料则表现出较高的开关比，但接触电阻较高。通过设计一种新型FET结构，研究人员在保持低接触电阻的同时，实现了高开关比和高导通电流。这一研究为二维材料在互补金属氧化物半导体（CMOS）技术中的应用提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

  1. 高性能p型FET：通过替代掺杂和厚度控制，实现了低接触电阻和高开关比的p型二维FET。
  2. 新型FET结构：提出了一种结合厚层接触区域和薄层沟道区域的FET结构，显著提升了器件性能。
  3. 双栅极设计：通过双栅极结构，进一步优化了静电控制，实现了更高的导通电流和开关比。
  4. 理论支持：通过DFT计算，深入理解了掺杂效果与材料厚度的关系，为实验设计提供了理论依据。

未来展望

本研究为二维材料在电子器件中的应用开辟了新的方向。未来，研究人员可以进一步优化掺杂工艺，探索更多二维材料的掺杂效果，并推动大规模合成技术的发展，以实现二维FET的商业化应用。