美國哥倫比亞大學研製出全新高性能低接觸電阻二硫化鉬基場效應晶體管

關鍵詞：二硫化鉬 石墨烯柵極 高介電常數電介質 短溝道 場效應晶體管

二硫化鉬（MoS2）等二維過渡金屬二硫化物（TMDs）是製造下一代電子器件的理想選擇。然而，由於過渡金屬二硫化物與器件金屬電極之間存在巨大的接觸電阻，所以迄今為止，採用而為過渡金屬二硫化物製成的晶體管器件的開態電流都非常低。近日，美國哥倫比亞大學聯合美國陸軍研究實驗室、韓國成均館大學和新加坡南洋理工大學等研究機構成功解決了過渡金屬二硫化物晶體管接觸電阻大、開態電流低的問題，共同研製出全新高性能、低接觸電阻二硫化鉬基場效應晶體管。該晶體管由單層二硫化鉬薄膜溝道、單原子層厚石墨烯背柵、鎳/金合金電極、二氧化鉿高介電常數柵介質和二氧化硅絕緣層構成，開關特性卓越、接觸電阻低、溝道長度短、溝道電導大、溝道區域全透明，有望應用於生物感測器、光電探測器、顯示器背板等各種電子及光電子設備中。

低接觸電阻二硫化鉬基場效應晶體管結構示意圖

背景

二硫化鉬是一種單層二維材料，屬於過渡金屬二硫化物家族中的一員。過渡金屬二硫化物的通用化學式為MX2，由一層過渡金屬M原子夾在兩層硫族X原子之間構成，其中的過渡金屬M原子可以是鈦原子、鈮原子、鉬原子或錸原子，硫族X原子可以是硫原子、硒原子或碲原子。過渡金屬二硫化物塊體材料是間接帶隙半導體，但當厚度減小至單層時就會變為直接帶隙半導體。單層過渡金屬二硫化物能夠有效吸收和發射光子，因此有望在各種電子和光電子器件中得到應用。

然而，因為在利用單原子層厚度的超薄材料製備晶體管器件時難以同時減小器件的接觸電阻和溝道長度，使得基於二維過渡金屬二硫化物半導體材料製成的晶體管比硅晶體管的開態電流低很多，極大地限制了過渡金屬二硫化物半導體材料的應用。

器件原理與特性

1 表面更加潔凈和平坦的石墨烯層

首先研究人員採用化學氣相沉積法在銅箔上生長石墨烯，然後通過電化學方法將石墨烯剝離並轉移至二氧化硅襯底上。與傳統利用濕法刻蝕轉移石墨烯的技術相比，利用電化學法剝離和轉移石墨烯效率更高、成本更低，而且由於在石墨烯與襯底界面產生的雜質更少，更有利於得到表面更加清潔和平坦的石墨烯層。

利用單原子層厚度的石墨烯層做柵極可使晶體管金屬電極的高度得以等比例縮小。石墨烯層的光滑表面還為超薄、高質量柵介質層的生長提供了理想的條件。通過石墨烯層可以對單層二硫化鉬實施重摻雜，使其載流子濃度達到4.6×1013/cm2水平，以控制二硫化鉬溝道層與鎳/金合金電極之間的靜電特性，從而將接觸區域電阻減小至2.3千歐·微米。

2 短溝道長度

新型晶體管的溝道長度僅為14納米，柵介質層厚度為5納米，亞閾值擺幅為64毫伏，閾值電壓約為0.5伏，溝道電導為100微西門子/微米，表現出卓越的開關特性。此外，石墨烯柵極可使晶體管在柔性聚合物襯底上呈高度透明的狀態，增加了器件在各種柔性光電子設備中應用的可能性。

意義影響

總而言之，通過減小二硫化鉬溝道與金屬電極間的接觸電阻，可以改善晶體管的開關特性，並將其開態電流增大至國際半導體技術路線圖（ITRS）定義的水平。研究人員指出，由於對柵極的靜電控制效應增強，經試驗測試發現，在將溝道長度降低14納米後，晶體管的性能並未發生顯著下降。因此，該研究還提供了一種不含化學物質、能源友好、可擴展的製備重摻雜二維材料方法，有利於先進電子器件製造。

參考文獻：Monolayer Molybdenum Disulfide Transistors with Single-AtomThick Gates，Nano Lett.（DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01091）

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