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《Advanced Materials》《Advanced Functional Materials》刊登廖蕾教授课题组系列成果

来源:武汉大学物理科学与技术学院 发布时间:2016-08-23 11:11:24 点击次数:

近期,廖蕾教授课题组的系列研究工作在二维材料晶体管领域取得了重要进展,为研制具有良好界面特性的高性能顶栅二硫化钼场效应晶体管提供了有效方法。主要成果包括3篇《Advanced Materials》,2Small以及1篇《Advanced Functional Materials》,该工作得到了国家自然科学基金委和科技部973及纳米专项的支持。

最新的研究表明,现代半导体器件工艺的不断进步使得硅基器件尺寸不断缩小,已走到现在10nm的制程,已慢慢接近硅的极限。二维材料的出现,为解决这个问题开辟了一条新的途径。其原子级的沟道很容易夹断,同时具有较弱的短沟道效应,能够进一步地缩小晶体管的尺寸并提高晶体管的速度。

廖蕾教授课题组采用化学气相沉积(CVD)法获取的六角氮化硼,结合高介电常数氧化铪介电材料构筑了一种堆叠结构的电介质栅。利用六角氮化硼制备过程中表面原子缺陷形成的悬挂键作为氧化铪原子层沉积的成核点,二者相互结合,用于克服单一氮化硼介电常数低下且层厚不可控的弊端,同时使介质层表面库仑杂质散射、光声子散射也得以抑制,最终获得了基于二硫化钼的高性能晶体管。器件的迁移率达到88 cm2/V·s(图1。另外,课题组进一步证实了这种介质结构可以应用于石墨烯晶体管和氮化镓高电子迁移率器件中,石墨烯顶栅晶体管迁移率为9700 cm2/Vs,并且饱和电流达到2.9 mA/µm。该工作发表在材料领域的国际权威刊物Adv. Mater. 28, 2062, (2016)

 

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然而二硫化钼的接触电阻是制约其器件性能的重要因素,过大的接触电阻使得二硫化钼晶体管的输出电流并不随着尺寸的缩小而明显提高。使用CVD生长的超薄六角相氮化硼(h-BN)作为隧穿层有效地降低了二硫化钼的接触势垒,同时得益于h-BN超薄的厚度和平滑的表面,有效地减小了隧穿势垒和费米钉扎效应,使器件的肖特基势垒由158 meV降低到31 meV,接触电阻由5.1 kΩ•µm降低到1.8 kΩ•µm。该工作发表在Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201602757

另外采用自对准的方法,成功地研制了基于顶栅二硫化钼短沟道场效应晶体管。短沟道器件在室温条件下的开关比能超过108,亚阈值摆幅可以达到69 mV/decade,界面陷阱态密度可以降低到3.3´1011 cm-2eV-1。同时分析了短沟道效应造成的器件退化现象。该工作发表在材料领域的国际权威刊物Adv. Funct. Mater. DOI:10.1002/adfm.201602250

 

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