传统硅基技术在亚3 nm节点接近其物理极限,亟需新的半导体材料来实现集成电路的进一步缩放。二维半导体凭借其原子级超薄结构和高迁移率优势,能够在超短沟道晶体管中实现优异的静电控制和开态特性,被视为亚1 nm技术节点芯片的潜力材料,受到全球领先半导体企业和研究机构(如英特尔、台积电、三星和欧洲微电子中心)的高度关注。然而,二维晶体管面临严重的金属-半导体接触费米能级钉扎效应,这极大的制约了器件的性能。因此,如何实现二维半导体和金属电极的欧姆接触是制备高性能弹道晶体管的关键因素。此外,目前国际上展示的高性能二维晶体管多基于机械剥离或厘米级的二维单晶,如何基于晶圆级二维半导体实现高性能晶体管的规模化制备,是推动二维电子学从实验室走向工业应用(Lab-to-Fab)的核心挑战。

研究成果

近期,北京大学电子学院彭练矛院士-邱晨光研究员课题组在二维半导体集成工艺方面提出了“稀土钇元素诱导相变理论”,并发明了“原子级精准选区掺杂技术”,突破了传统离子注入掺杂结深无法小于5纳米的工程限制,首次将源漏选区的掺杂深度推进到单原子层0.5纳米极限,并基于二维半导体晶圆制备出规模化的超短沟道弹道晶体管,实现了理想的欧姆接触和开关特性,有潜力构建未来更高性能、更低功耗的亚1纳米技术节点芯片。

相关研究成果以“Yttruim-doping-induced metallization of molybdenum disulfide for ohmic contacts in two-dimensional transistors”为题,2024年5月27日在线发表于《自然·电子学》。姜建峰博士与徐琳博士为共同第一作者,邱晨光研究员和彭练矛院士为共同通讯作者,北京大学电子学院为通讯单位。论文合作者为中国科学院物理所张广宇研究员与杜罗军研究员。

技术革新

本研究工作实现了以下四方面技术革新:

1.开创性地提出了“稀土元素诱导二维金属化理论”。

该技术通过钇原子掺杂诱导的方式,将接触区域的二维半导体转变为二维金属。并以此二维金属作为金属与半导体之间的缓冲层,抑制了界面处的费米钉扎效应,该缓冲层作为“桥梁”,有效地提高了载流子从金属到半导体的传输效率。钇原子掺杂有效调控了二维金属的费米能级的位置,以实现理想的能带对齐和器件的欧姆接触,克服了本征二维相变固有肖特基势垒的科学挑战。

2.发明了“原子级可控精准掺杂技术”。

设计了超低功率软等离子体-固态源活性金属沉积-真空退火的三步法原子级掺杂工艺,有效地将固态源掺杂剂钇原子扩散注入进精细图案化的二维接触区域表面,这种新型的接触掺杂策略可以兼容于1 nm技术节点的光刻工艺。

3.在晶圆级二维半导体中实现了理想的欧姆接触。

将接触电阻推进至量子理论极限,器件总电阻低至235 Ω·μm,统计的传输线法(TLM)平均接触电阻仅为69±13 Ω·μm,满足国际半导体技术路线图对集成电路未来节点晶体管电阻的要求。

4.在大规模超短沟道的二维晶体管阵列中展示出卓越的综合电学特性。

展示出理想的开关行为,并能有效地抑制短沟道效应,四个量级电流范围内的平均亚阈值摆幅SS为67 mV/Dec;平均开态电流密度高达0.84 mA/μm;最大跨导提升至3.2 mS/μm,比其他同类二维TMDs器件提高近一个数量级。

这项工作从物理机制上阐明了稀土元素钇掺杂相变技术的底层过程,并展示了晶圆级大规模制备高性能二维晶体管的可行性,器件的关键电子学参数满足先进节点集成电路的要求,有力地证明了二维半导体在未来节点集成电路应用的性能潜力,为推动二维电子学从实验室走向工业界(Lab-to-Fab)提供了重要的理论参考和实验依据。