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李学飞副研究员利用黑磷晶体管实现弹道输运

发布日期:2019-06-25    作者:     来源:     点击:

(通讯员李雪飞)6月21日,《科学·进展》(科学进展)发表了一种接近弹道极限的高速黑磷场效应晶体管。论文是论文的第一部分,副研究员李雪飞是第一作者。结果首次表明了二维半导体材料中空穴载流子的准弹道传输现象,为今后高速电子器件的发展提供了重要支撑。

随着对电子产品的小型化和小型化的需求持续增加,场效应晶体管的尺寸继续缩小。在后摩尔时代,以新材料,新结构和新原理为特色的新设备技术开始受到广泛关注。其中,二维半导体材料具有超轻,超薄和超软通道,高迁移率,可调带,光电磁谱中从红外到紫外的带宽,以及超薄体。特性和低温处理技术,与传统硅基半导体的兼容性等,在后摩尔时代的微电子和光电器件的应用中具有很高的潜力。

Black Phosphorus是一种单元素二维半导体材料,具有高载流子迁移率,可调直接带隙(0.3-2eV)和大的各向异性,以及许多其他特殊的电学和光学性质。自今年发布以来,它一直是低维材料领域的研究热点。然而,迄今为止,实验报告的黑磷晶体管的整体性能仍然低于预期。目前,大多数黑磷器件使用热氧化的90nm二氧化硅膜作为栅极电介质。缺点是一方面,二氧化硅的等效氧化物厚度为90nm,导致栅极电介质通道化。门控能力很弱;另一方面,二氧化硅膜含有许多缺陷和固定电荷,并且载流子严重散射。这导致二氧化硅/黑磷的界面质量差,这降低了黑磷的迁移率并严重限制了器件的整体性能。因此,如何大大提高黑磷晶体管的驱动电流和速度,短沟道器件中的弹道传输是该领域的主要挑战之一。

为了解决这个问题,研究小组利用国家脉冲磁场科学中心的微纳器件平台,提出了一种用高介电常数薄膜代替二氧化硅的方法HfLaO:沉积的超薄高介电常数HfLaO栅极介质。原子层沉积。等效氧化物厚度仅为2.7nm,这有效地改善了栅极电介质对沟道的栅极控制能力。同时,薄膜的表面粗糙度和缺陷密度远小于二氧化硅的表面粗糙度和缺陷密度,确保了HfLaO薄膜和黑磷半导体。接口质量。通过掺杂背栅电压将接触电阻最小化至0.4kΩ·μm。为了进一步提高器件的性能,黑磷材料的各向异性晶格方向由制备过程中的正拉曼确定,然后沿扶手椅方向设计载流子传输方向,具有最高的迁移率。如图1所示。

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图1黑磷装置的结构

图2A和2B示出了黑色磷光体晶体管在300K和20K下的输出性能曲线。对于沟槽长度为100nm的黑磷晶体管,室温驱动电流达到1.2mA /μm,并在20K时进一步增加到1.6mA /μm,这是二维p输出电流的最高记录。文献中报道了半导体器件。图2C示出了作为温度函数的最小电流点(Vmin)与背栅电压(Vbg)之间的关系。可以看出,Vmin随温度保持基本恒定,表明在HfLaO和黑磷的界面处基本上没有带电的杂质或缺陷。

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图2黑磷场效应晶体管的电学特性

同时,该研究使用Caughey Thomas移动模型拟合短沟道黑磷晶体管的饱和速度。图3A示出了传统半导体材料和二维半导体材料的空穴饱和速度的比较。室温下黑磷的空穴饱和率为1.5×107cm/s,超过了所有半导体材料的空穴饱和率。基于具有这种性能的装置成功实现了弹道运输。通过MIT虚拟源模型提取黑色磷光体晶体管的弹道率,如图3B所示。在相同参数下,室温下100nm黑磷晶体管的弹道率达到36%,高于硅基MOS器件的弹道率。在20K的低温下,弹道率增加到79.4%。模型计算预测沟槽长度为10nm的黑磷晶体管的弹道率在20K时接近100%。

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图3黑磷场效应晶体管的饱和速度和弹道率

李雪飞是国家脉冲磁场科学中心微纳米器件研究小组的研究员。近年来,该研究小组积极开展了基于脉冲磁场实验装置的后磨牙微纳电子器件的设计和制备,该装置已在自然纳米技术中得到应用。国际高级期刊如Science Advances,Nature Communications和Nano Letters发表了许多高水平论文。该项工作由国家自然科学基金(61574066,61874162和61522402),中国科学院战略试点科技项目(XDB30000000)和中央大学基础研究基金(2018KFYYXJJ069和2019kfyXKJC014)资助。 ),并获得了国家脉冲磁场科学。得到了中心实验平台的大力支持,以及武汉纳米纳米加工中心和华中科技大学分析测试中心的技术支持。

链接到论文:https://advance.sciencemag.org/content/5/6/eaau3194