High-speed black phosphorus field-effect transistors approaching ballistic limit
6月21日，《科学·进展》（Science Advances）刊发华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心李学飞副研究员与北京大学的合作研究成果：逼近弹道输运极限的高速黑磷场效应晶体管“High-speed black phosphorus field-effect transistors approaching ballistic limit”。李学飞为共同第一作者。首次在二维半导体材料中观测到空穴载流子的准弹道输运现象，为未来高速电子器件的发展提供了重要支持。
鉴于人们对电子产品小型化、微型化的持续需求，场效应晶体管的尺寸也不断缩小。摩尔定律指出：集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一倍。一方面，缩小特征尺寸可以增加集成度，减低单个晶体管的成本；另外一方面，特征尺寸的缩小可以增加晶体管的开关速度。摩尔定律发展至今，已经逐渐面临物理极限。2015年国际半导体线路图（ITRS 2.0）指出，信息技术进入后摩尔时代（More Moore），以新材料、新结构和新原理为主要特征的More Moore新器件技术开始受到广泛关注。
二维半导体材料是由单层或少数层原子或者分子层组成，层内由较强的共价键或离子键连接，而层间则由作用力较弱的范德瓦耳斯力结合。它具有超轻超薄超柔的沟道、较高的迁移率、能带可调控、在光学电磁波谱上能覆盖从红外到紫外的超带宽频段。更重要的是，二维半导体材料的超薄体特性与低温加工工艺，能与传统硅基半导体兼容，在后摩尔时代微电子及光电子器件应用中有较高潜力。ITRS 2.0以及最近由台积电发表在Nature上的论文【（Nature 567, 169 (2019)】指出：新型二维材料在信息微纳电子等方面有望解决未来半导体面临的一些挑战、是“延续”摩尔定律的最佳候选之一。
黑磷是一种单元素二维半导体材料，具备很高的载流子迁移率和可调控的直接带隙（0.3-2 eV）以及较大各向异性。因其众多特殊的电学和光学性能，自2014年被报道以来一直是低维材料领域的研究热点。然而迄今为止，实验上报道的黑磷晶体管的整体性能仍然低于预期。目前，大部分的黑磷器件是以热氧化的90 nm二氧化硅薄膜为栅介质。一方面，二氧化硅的等效氧化物厚度为90 nm，造成栅介质对沟道的栅控能力很弱；另外一方面，二氧化硅薄膜包含很多缺陷和固定电荷，对载流子有严重的散射。这导致二氧化硅/黑磷的界面质量很差，降低了黑磷的迁移率，严重制约了器件的整体性能。因此，如何大幅提高黑磷晶体管的驱动电流和速度，在短沟道器件中实现弹道输运是目前该领域的主要挑战之一。
为了解决这个难题，本团队提出使用高介电常数薄膜HfLaO代替二氧化硅的方法。原子层沉积的超薄高介电常数HfLaO栅介质的等效氧化物厚度只有2.7 nm，有效地提高了栅控能力。同时，薄膜的表面粗糙度和缺陷密度也远小于二氧化硅，有效地提高了HfLaO薄膜与黑磷半导体之间的界面质量。通过背栅电压的掺杂作用，接触电阻最小达到0.4 kΩ·µm。为了进一步提高器件的性能，在制备过程中，通过偏正拉曼确定黑磷材料的各向异性晶格方向，然后设计载流子输运方向沿着迁移率最大的扶手椅（armchair）方向，如图1所示。
图1 黑磷器件的结构
图2A和2B给出了黑磷晶体管在300和20 K时的输出性能曲线。对于沟长为100 nm的黑磷晶体管，其室温驱动电流达到1.2 mA/μm，20 K时进一步提高到1.6 mA/μm，是目前文献中报道的二维p型半导体器件输出电流的最高纪录。图2C所示为最小电流点（Vmin）对背栅电压(Vbg)随温度变化关系。可以看出，Vmin随温度基本上保持不变，这表明在HfLaO与黑磷的界面基本不存在带电杂质或缺陷。
图2 黑磷场效应晶体管的电学性能
使用Caughey Thomas 迁移率模型，拟合了短沟道黑磷晶体管的饱和速度。图3A给出了传统半导体材料和二维半导体材料的空穴饱和速度的对比。室温下黑磷的空穴饱和速度为1.5 × 107 cm/s，超过了所有半导体材料的空穴饱和速度。基于如此性能的器件，成功实现了弹道输运。通过MIT Virtual Source模型提取了黑磷晶体管的弹道率，如图3B所示。室温下100 nm的黑磷晶体管的弹道率达到36%，高于同等参数下硅基MOS器件。在低温20 K时，弹道率提高到了79.4%。模型计算预测在20 K时，沟长为10 nm的黑磷晶体管的弹道率接近100%。
图3 黑磷场效应晶体管的饱和速度和弹道率
依托脉冲强磁场实验装置，微纳器件研究课题组积极致力于研究后摩尔微纳电子器件的设计与制备，包括逻辑器件、射频器件以及量子隧穿器件等，近五年来已有多项研究成果发表在Nature Nanotechnology、Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Letters、IEEE Electron Device Letters等国际知名期刊上。该工作得到了国家自然科学基金委员会及我校等各类项目资助，并得到国家脉冲强磁场科学中心实验平台的大力支持，以及武汉光电国家研究中心微纳加工平台、分析测试中心等单位的技术支持。
参考文献：X. Li, Z. Yu, X. Xiong, T. Li, T. Gao, R. Wang, R. Huang, Y. Wu, High-speed black phosphorus field-effect transistors approaching ballistic limit. Sci. Adv. 5, eaau3194 (2019).
网址链接：https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaau3194/tab-pdf