稀释剂与二维半导体通道

搬到未来的节点需要的不仅仅是较小的特点。3/2nm之外,新材料可能被添加,但哪些,什么时候将取决于爆炸材料的科学研究进行的大学和公司在全球范围内。

场效应晶体管、门创建一个电场的电压通道,弯曲半导体的能带结构,以促进或阻碍电流。场效应管,具体来说,栅电极电容作为一个盘子和其他频道。

栅电容,这取决于门的尺寸和闸极介电层的属性,必须大到足以控制整个通道。维持充足的栅电容只是许多挑战之一是设备减少,他们激励许多改变晶体管的设计,以及研究材料替代频道。

随着通道长度下降,通道厚度需要收缩。如果通道太厚,可用栅极电容可能不够大,导致短沟道效应和可怜的通道控制。FinFETs解决这个问题通过包装门口和一个或多个垂直的鳍。随着通道长度继续萎缩,不过,仍然需要更激进的解决方案。纳米线、nanosheets和其他门全面(棉酚)晶体管设计取得更好的通道控制从四面八方通过施加电场。

使足够薄盖茨在硅具有挑战性。低于约3海里,陷阱硅之间的接口和栅极电介质降低载流子迁移率。二维半导体像WS₂被视为替代,因为每个单层干净,self-passivating接口没有晃来晃去的债券。

静电控制门不是唯一设备设计者需要考虑的因素。通道厚度下降,那么当前的数量可以携带。多层纳米线和nanosheet设计使用两个或两个以上的通道层总驱动电流增加。

不幸的是,每一个附加层增加了泄漏电流,张小盒黄,上海复旦大学研究员指出2020年12月在IEEE会议电子设备。根据设备的需求,提高驱动电流和限制泄漏电流之间的平衡将定义可以使用的层数。在传统晶体管,之间放置一个高介电常数材料堆叠nanosheets有助于控制泄漏给相同的电容与更大的物理厚度。

最好的静电行为,盖茨在棉酚结构应该尽可能互相匹配,具有相同等效氧化物的厚度和电容各方渠道。同时,拥有一个独立控制后门给设计师的选择,没有一个门。在绝缘体(SOI)设备、晶片本身作为一个后门,可以用来调整阈值电压。一些二维半导体,比如WS₂,可以把这个想法进一步。在IEDM工作提出,英奇Imec Asselberghs和他的同事们报道,WS₂设备是双极性,切换洞传导和电子传导取决于环境。他们使用了后门偏见之间切换洞和电子注入和定义的极性晶体管,而顶部门开关设备。

不过,实现商业上可行的基于二维半导体晶体管仍具有挑战性。Imec的测试车辆制造集成还不能匹配性能实验室培养设备,和模拟设备仍然表现。很难说,当前制造技术的不足,材料的物理限制,但物质沉积和联系制造构成主要的绊脚石。

二维材料扩大吗?
最常提出的二维半导体是过渡金属dichalcogenides (tmd),包括金属氧化物半导体₂,WS₂,WSe₂。在这个时候,最好的设备是捏造的散装材料的独立片脱落。当前最好的沉淀过程WS₂使用金属在温度高达750°C,远远超出门金属层可以容忍。正在进行设备开发和过程集成研究使用层传输技术,但制造商肯定会喜欢更多process-compatible圆片规模的方法沉积设备质量的二维半导体。虽然原子层沉积可以产生薄层,它通常留下碳前体气体和其它污染物。相反,溅射或蒸发的金属通常是硫化或selenization紧随其后。

图1:(a)六角结构TMD单层,与M原子在黑色和X原子黄色;(b)六角TMD单层从上面看到。来源:英文维基百科/知识共享

而不是统一的单层膜,研究人员通常认为多层岛屿。平面旋转六角TMD晶格的能量等价的。每个岛都可能有不同的扭转角相对于底物,和每个层可能扭曲相对于单层。随着电影的发展和岛屿合并,晶界形成产生的边缘。晶体管特性随底层的厚度和取向。二维材料的电阻层间高,而层之间的扭转角改变整个周期的材料。

昆汀在Imec手中和他的同伴们发现60位于双层金属氧化物半导体设备₂岛屿。与优化SEM条件,他们能够确定双层地区低于源,在英吉利海峡,等等。岛屿似乎没有影响阈值电压,但是——不管岛的位置——单层设备最好阈下摇摆的行为。模拟表明,厚的岛屿有更多的电荷陷阱,降解通道静电学。

在今年春季的材料研究学会会议上,宾夕法尼亚州立大学研究员琼红翼鸫报道,沉淀的过渡金属在高温下(700°C以上)促进均匀覆盖。三步过程第一次使用高金属压开成核,然后退火硫族元素的电影促进晶粒尺寸均匀,然后用低金属压力鼓励横向增长没有进一步的成核。在华沙证交所₂,更高的温度增加了有效的钨和青睐的形成岛屿tungsten-terminated边缘。不过,影响开始形成一次覆盖率达到50%。

选择性增长与基质模板
因为它是难以制造金属氧化物半导体₂纳米线和nanosheets,很难严格区分材料的内在属性和缺陷的影响。而不是尝试种植大面积的单层膜和模式,一些结果的春季会议讨论夫人选择性增长1 d纳米线/ nanoribbons。Areej Aljarb,沙特阿拉伯国王阿卜杜拉大学的观察到₂O₃使自动锋利的步骤,它可以提供金属氧化物半导体的成核和生长的架子上₂。另外,工作由路易斯·马杜罗和他的同事在代尔夫特理工大学使硫化钼纳米线创建一个二硫化钼壳在钼丝。

额外的研究,讨论了禹州赵,威斯康辛-麦迪逊大学的,寻求形式Moire-patterned异质结构从下向上的叠加层。这一组变形SiO使用₂球体扭曲衬底之间的关系和WS增长₂电影。他们已经展示了扭曲的多层膜生长的能力,但还没有学会控制结果。

最后,扩大目录之外的二维半导体tmd会给设计师获得一系列的带隙处理各种潜在的应用。例如,当石墨烯是由蚀刻碳化硅、石墨烯之间的缓冲层形式和碳化硅。插层硼或氮化镓到这个区域产生一个单层石墨烯的封装。蚀刻石墨烯氨nitridates夹层的金属。红翼鸫宾夕法尼亚州立大学的研究小组2 d氮化硼和quasi-2D氮化镓。扩散下的插入金属石墨烯限制了最大的区域,可以使用这种方法。

接触边缘
即使高质量通道材料可用,2 d半导体表面的不起化学反应的特征使得接触制造挑战,。而与金属反应生成硅导电硅化物、试图联系2 d材料往往导致绝缘污染层。接触的关键参数是肖特基势垒的高度,定义为半导体导带之间的差异和金属功函数。虽然硅设备使用掺质调整带高度,大多数2 d半导体还没有合适的掺杂方案。

普遍不一致甚至评估联系人可以挑战通道材料是可用的。在工作在IEDM,特里Y.T.挂和台积电的同事们使用了非对称联系来解决这个问题。他们制造设备和一个边缘和一个高层接触,都使用镍,然后测量两个正向和反向偏置条件下的传输特性。这种方法本质上比较了设备本身,具有相同的几何,相同的频道,和同样的缺陷在两个方向上。边缘接触似乎拔掉了费米能级,使整流肖特基势垒接触。

边缘接触也有吸引力的其他原因。他们是必不可少的联系nanosheets埋在一个多层堆栈。他们也允许接触面积缩减设备,减少接触电阻的贡献。这些因素和其他可能使边缘接触设备的下一个重要创新设计。

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