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

Josiah02

二维 (2D) 半导体材料具有独特的光电特性，可能有利于开发超薄且可调的电子元件。尽管它们比块状半导体具有潜在优势，但迄今为止，将这些材料与栅极电介质进行最佳连接仍被证明具有挑战性，通常会导致界面陷阱，从而迅速降低晶体管的性能。
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/MoS 2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 SiO 2 /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 MoS 2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 MoS 2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 MoS 2通道的场效应晶体管中得到有效利用。MoS 2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，”沈补充道。“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。”