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科研進展

《Advanced Materials》《Advanced Functional Materials》刊登廖蕾教授課題組系列成果

來源:MG娱乐官网  發布時間:2016-08-23 11:18:30 點擊次數:

近期,廖蕾教授課題組的系列研究工作在二維材料晶體管領域取得了重要進展,為研制具有良好界面特性的高性能頂柵二硫化鉬場效應晶體管提供了有效方法。主要成果包括3篇《Advanced Materials》,2篇Small以及1篇《Advanced Functional Materials》,該工作得到了國家自然科學基金委和科技部973及納米專項的支持。

最新的研究表明,現代半導體器件工藝的不斷進步使得硅基器件尺寸不斷縮小,已走到現在10nm的制程,已慢慢接近硅的極限。二維材料的出現,為解決這個問題開辟了一條新的途徑。其原子級的溝道很容易夾斷,同時具有較弱的短溝道效應,能夠進一步地縮小晶體管的尺寸并提高晶體管的速度。

廖蕾教授課題組采用化學氣相沉積(CVD)法獲取的六角氮化硼,結合高介電常數氧化鉿介電材料構筑了一種堆疊結構的電介質柵。利用六角氮化硼制備過程中表面原子缺陷形成的懸掛鍵作為氧化鉿原子層沉積的成核點,二者相互結合,用于克服單一氮化硼介電常數低下且層厚不可控的弊端,同時使介質層表面庫侖雜質散射、光聲子散射也得以抑制,最終獲得了基于二硫化鉬的高性能晶體管。器件的遷移率達到88 cm2/V·s(圖1)。另外,課題組進一步證實了這種介質結構可以應用于石墨烯晶體管和氮化鎵高電子遷移率器件中,石墨烯頂柵晶體管遷移率為9700 cm2/Vs,并且飽和電流達到2.9 mA/μm。該工作發表在材料領域的國際權威刊物Adv. Mater. 28, 2062, (2016)。

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然而二硫化鉬的接觸電阻是制約其器件性能的重要因素,過大的接觸電阻使得二硫化鉬晶體管的輸出電流并不隨著尺寸的縮小而明顯提高。使用CVD生長的超薄六角相氮化硼(h-BN)作為隧穿層有效地降低了二硫化鉬的接觸勢壘,同時得益于h-BN超薄的厚度和平滑的表面,有效地減小了隧穿勢壘和費米釘扎效應,使器件的肖特基勢壘由158 meV降低到31 meV,接觸電阻由5.1 kΩ?μm降低到1.8 kΩ?μm。該工作發表在Adv. Mater.DOI:10.1002/adma.201602757。

另外采用自對準的方法,成功地研制了基于頂柵二硫化鉬短溝道場效應晶體管。短溝道器件在室溫條件下的開關比能超過108,亞閾值擺幅可以達到69 mV/decade,界面陷阱態密度可以降低到3.3′1011cm-2eV-1。同時分析了短溝道效應造成的器件退化現象。該工作發表在材料領域的國際權威刊物Adv. Funct. Mater.DOI:10.1002/adfm.201602250。

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