晶圓級(jí)二維半導(dǎo)體單晶薄膜外延生長(zhǎng)的研究
主流硅基芯片CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)正面臨短溝道效應(yīng)等物理規(guī)律和制造成本的限制,需要開(kāi)發(fā)基于新材料和新原理的晶體管技術(shù)來(lái)延續(xù)摩爾定律。高遷移率二維半導(dǎo)體因其超薄的平面結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的電子學(xué)性質(zhì),有望成為“后摩爾時(shí)代”高性能電子器件和數(shù)字集成電路的理想溝道材料,進(jìn)一步縮小晶體管的尺寸和提高其性能。為滿足集成電路加工工藝和器件成品率對(duì)溝道材料的苛刻要求,二維半導(dǎo)體單晶薄膜的大面積制備尤為關(guān)鍵與重要。然而,現(xiàn)有二維半導(dǎo)體材料體系(過(guò)渡金屬硫族化合物、黑磷等)薄膜制備仍未滿足現(xiàn)實(shí)要求,因此亟需實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)二維半導(dǎo)體單晶薄膜制備技術(shù)的突破。 該研究瞄準(zhǔn)二維半導(dǎo)體材料的晶圓級(jí)單晶制備,率先實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有高電子遷移率、合適帶隙、環(huán)境穩(wěn)定的二維半導(dǎo)體(硒氧化鉍,Bi2O2Se)單晶晶圓的外延生長(zhǎng)。他們基于自主設(shè)計(jì)搭建的雙溫區(qū)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng),在商用的鈣鈦礦單晶基底【SrTiO3,LaAlO3,或(La, Sr)(Al,Ta)O3】上,利用Bi2O2Se與鈣鈦礦完美的晶格匹配性及較強(qiáng)的界面相互作用,促使Bi2O2Se晶核同一取向外延并融合生成晶圓級(jí)單晶薄膜。Bi2O2Se單晶薄膜在晶圓尺寸上表現(xiàn)出優(yōu)異的材料和電學(xué)均勻性,可被用于批量構(gòu)筑高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管。基于晶圓級(jí)二維Bi2O2Se單晶薄膜的標(biāo)準(zhǔn)頂柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管展現(xiàn)了高的室溫表觀遷移率(>150 cm2/V s)、大的電流開(kāi)關(guān)比(>105)和較高的開(kāi)態(tài)電流(45μA/μm)。相關(guān)成果發(fā)表在Nano Letters (Wafer-Scale Growth of Single-Crystal 2D Semiconductor on Perovskite Oxides for High-Performance Transistors. Nano Lett. 2019, 19, 2148)。
北京大學(xué)
2021-04-11