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研究背景

隨著半導體技術的迅猛發展，硅晶體管技術在亞10 nm節點的應用面臨著越來越多的挑戰，特別是接近其基本物理極限。在這種背景下，進一步縮小場效應晶體管（FETs）的尺寸迫切需要新的通道材料。二維（2D）半導體因其獨特的原子級厚度和高載流子遷移率而引起了科學家的廣泛關注。這些特性使得2D半導體有望在短通道FETs中實現更好的靜電控制和優異的開啟態性能。

然而，由于傳統金屬物理氣相沉積方法引入的非理想界面會導致費米能級釘扎效應，從而引起高接觸電阻，限制了這些2D半導體在實際應用中的開啟態性能。為了克服這一障礙，研究者們嘗試了多種方法改進2D半導體與金屬之間的接觸界面，包括機械轉移金屬薄膜、低能量沉積銦或半金屬鉍以及通過激光誘導或化學處理實現接觸相變。盡管如此，目前2D過渡金屬二硫化物（TMDs）n型晶體管的總電阻仍大于500 Ω μm，遠遠未能達到商業先進節點硅晶體管的標準（國際器件與系統路線圖要求的250 Ω μm）。

在商業硅晶體管中，為了降低接觸電阻，接觸結構設計通常包括金屬電極、重摻雜源極和漏極擴展區以及金屬硅化物薄層（如TiSi或CoSi）。金屬硅化物通過在表面硅層上沉積超薄金屬層并進行退火形成，作為金屬電極和重摻雜硅之間的緩沖層，提高了載流子傳輸效率，降低了串聯接觸電阻。這種結構和相應的標準硅化物工藝一直伴隨著硅晶體管的縮放，從1970年代的微米節點到今天的最先進節點，遵循了摩爾定律。

研究背景

為了應對2D半導體接觸電阻高的問題，北京大學彭練矛院士和邱晨光研究員等人開發了一種金屬2D緩沖層，可以夾在金屬電極和2D半導體之間。在2D晶體管中，這種緩沖層的作用類似于硅晶體管中的硅化物結構，即提高載流子傳輸效率。該方法被稱為原子層釔摻雜金屬接觸技術，涉及在局部光刻圖案化源極和漏極區域內均勻2D材料的轉變。這種金屬2D緩沖層和2D半導體之間的范德華（vdW）界面避免了晶格退化，并且不會引入額外的費米能級釘扎。以上成果在Nature Electronics期刊上發表了題為“Yttrium-doping-induced metallization of molybdenum disulfide for ohmic contacts in two-dimensional transistors”的最新論文。

通過這種創新的摻雜方法，研究者們成功地在兩英寸化學氣相沉積（CVD）晶圓上制作了10 nm通道長度的MoS2晶體管，其表現出優異的性能指標，包括平均接觸電阻69 Ω μm、總電阻235 Ω μm、在0.7 V漏電壓下開啟電流密度1.22 mA μm^–1和跨導3.2 mS μm^–1。這一成果為2D半導體在下一代電子器件中的應用鋪平了道路，并提供了一種有效解決高接觸電阻問題的新思路。

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研究亮點

（1）實驗首次成功采用釔摻雜方法將半導體MoS₂轉變為金屬態MoS₂。這種方法基于固態源的三步摻雜工藝，包括等離子處理、沉積和退火，從而實現了埃米級的表面摻雜。這種金屬態的MoS₂能夠充當金屬電極與半導體MoS₂之間的金屬緩沖層，提高了電荷載流子的傳輸效率，并顯著降低了接觸電阻。

（2）實驗通過在兩英寸化學氣相沉積（CVD）晶圓上制備具有自對準、10納米通道長度的MoS₂場效應晶體管，驗證了這種釔摻雜方法的有效性。以下是具體結果：

實驗展示了平均接觸電阻為69 Ω μm，總電阻為235 Ω μm的MoS₂晶體管。
這些器件在0.7 V漏電壓下顯示出1.22 mA μm^–1的電流密度，跨導為3.2 mS μm^–1。
實驗還表明，這種釔摻雜的金屬MoS₂與金屬電極和半導體MoS₂之間形成了范德華界面，避免了晶格退化，并且沒有引入額外的費米能級釘扎。
與傳統金屬物理氣相沉積方法相比，該方法在提升二維半導體晶體管的開啟態性能方面表現出了顯著優勢。

圖文解讀

圖1：摻雜轉變和金屬釔Y-MoS2歐姆接觸的圖示和理論計算。

圖2. 原子級層釔Y摻雜金屬接觸技術的表征。

圖3. 彈道MoS2場效應晶體管field-effect transistors，FET結構和接觸特性。

圖4：MoS2場效應晶體管FET的晶片級制造。

結論展望

本文提出了一種原子層釔摻雜金屬接觸技術，為克服2D半導體晶體管中的關鍵問題打開了新的途徑。通過引入金屬2D緩沖層，成功實現了對n型MoS₂晶體管的可靠范德華歐姆接觸，展示了在先進晶體管埃米級節點上實現高性能2D半導體器件的可行性。此外，本文的工作還提示了將這種技術擴展到其他二維材料系統的可能性。盡管還存在諸多挑戰，如CVD生長大規模單晶2D材料、提高柵極堆棧結構質量以及開發單片集成制造的互補晶體管等，但本文的研究為未來技術節點中利用2D半導體實現大規模集成電路提供了重要的參考和啟示。這一工作不僅推動了2D半導體器件性能的提升，也展示了2D材料在未來電子器件中的廣闊應用前景。

文獻信息

Jiang, J., Xu, L., Du, L. et al. Yttrium-doping-induced metallization of molybdenum disulfide for ohmic contacts in two-dimensional transistors. Nat. Electron. (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01176-2

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