上海交大但亞平課題組：在單原子摻雜研究方面邁出了重要一步
《自然-通信》的編輯和審稿人均認為這是一個重要的發現，它為單分子薄膜摻雜技術指明了方向。
編輯 譚坤
離子注入是集成電路最成熟的摻雜技術，但離子注入會引入物理損傷，對於深亞納米 CMOS 器件性能影響很大，另外，離子注入技術在三維摻雜（FIN-FET）以及淺溝摻雜（抑制 CMOS 晶體管短溝效應）方面也困難重重，無法滿足技術發展的要求。
自組裝單分子膜摻雜技術是近年發展起來的一種新型摻雜技術，主要優點包括：1）無物理損傷；2）能實現三維摻雜；3）易於形成淺溝摻雜（10納米以下），正好能彌補離子注入的缺陷，滿足當前集成電路發展的需求，是一種極具潛力的摻雜技術。
該技術採用有機分子攜帶摻雜原子，利用分子自組裝的特性，在半導體表面形成一層自限制的單分子薄膜，由於每個分子攜帶的摻雜原子數可控，因此摻雜原子在半導體表面的總量是可控的。通過調節每個分子攜帶的摻雜原子數和有機分子的尺寸（歐美同行的主要關注點），可以實現不同的摻雜濃度。但亞平課題組感到這種摻雜原子數可控的特性非常有趣。可以想像，如果每個分子攜帶一個摻雜原子，那麼通過實現對單個分子的可控自組裝（已有研究做到這一點），則有可能實現對單個摻雜原子的大規模集成。實現單個摻雜原子的大規模集成，有可能讓集成電路晶體管縮小至原子級別，這對發展未來的單原子電子學和半導體量子計算機具有非常重要的意義。帶著這樣一種憧憬，但亞平課題組開展了相關研究。
課題組首先採用蛋白質作為雜質載體，因為蛋白質結構穩定、尺寸可控，且蛋白質通過磷酸化易於實現攜帶單個磷原子（磷是重要的硅半導體摻雜原子），因此，通過控制單個蛋白質，有可能實現對單個磷原子的大規模操控。但深入研究發現蛋白質本身所含的氮元素會對硅摻雜，且摻雜效率很低（針對這一問題，課題組採用一些先進的半導體測量技術，包括低溫霍爾效應、深能級瞬態譜等，對單分子薄膜摻雜過程進行了深入研究，發現碳缺陷態是導致磷原子電學活性低的罪魁禍首，並對碳缺陷態進行了系統表徵。實際上這也容易理解，因為有機分子載體中本身含有大量的碳，這些碳不可避免地與磷一起擴散到半導體中，形成了深能級缺陷態，降低了磷的電學活性，特別對於單個磷原子的情形，而這一點一直被國際同行所忽視。
《自然-通信》的編輯和審稿人均認為這是一個重要的發現，它為單分子薄膜摻雜技術指明了方向。這也是該課題組在單原子摻雜研究方面邁出的重要一步。實際上，碳缺陷態一直都是半導體的一個重要問題。上個世紀60年代，人們就研究過硅中的碳缺陷態問題，發現碳缺陷引起了CMOS晶體管一系列問題，只有當碳缺陷態被去除後，集成電路才得以成功發展。因此，通過大規模控制單個雜質原子，發展單原子電子學和半導體量子計算機，也必須去除碳缺陷才可能，研究組目前正在進行這一研究。
通訊作者簡介
但亞平特別研究員
但亞平現任上海交通大學特別研究員，密西根學院副教授， 1999年本科畢業於西安交通大學，2002年碩士畢業於清華大學，2008年博士畢業於美國賓夕法尼亞大學。博士畢業後，在哈佛大學從事博士後研究，2012年加入上海交通大學密西根學院，同年入選中組部「青年千人計劃」。但教授的研究工作主要集中在全硅基光電子和單原子電子學，為未來先進集成電路和量子計算機技術提供關鍵解決方案。
相關論文信息
標題Deep level transient spectroscopic investigation of phosphorus-doped silicon by self-assembled molecular monolayers
作者Xuejiao Gao, Bin Guan, Abdelmadjid Mesli, Kaixiang Chen & Yaping Dan
Nature Communications 9, Article number: 118 (2018)
出版日期Published online:09 January 2018
摘要It is known that self-assembled molecular monolayer doping technique has the advantages of forming ultra-shallow junctions and introducing minimal defects in semiconductors. In this paper, we report however the formation of carbon-related defects in the molecular monolayer-doped silicon as detected by deep-level transient spectroscopy and low-temperature Hall measurements. The molecular monolayer doping process is performed by modifying silicon substrate with phosphorus-containing molecules and annealing at high temperature. The subsequent rapid thermal annealing drives phosphorus dopants along with carbon contaminants into the silicon substrate, resulting in a dramatic decrease of sheet resistance for the intrinsic silicon substrate. Low-temperature Hall measurements and secondary ion mass spectrometry indicate that phosphorus is the only electrically active dopant after the molecular monolayer doping. However, during this process, at least 20% of the phosphorus dopants are electrically deactivated. The deep-level transient spectroscopy shows that carbon-related defects are responsible for such deactivation.
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