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半導體|2D半導體前景喜憂參半

半導體藍寶石

半導體|2D半導體前景喜憂參半

研究人員正在研究未來制程節點的各種新材料 ， 但進展仍然緩慢 。
近年來 ， 二維半導體已成為解決高尺寸晶體管中通道控制問題的主要潛在解決方案 。 隨著器件的縮小 ， 通道厚度應按比例縮小 ， 否則 ， 柵極電容將難以控制電流的流動 。 不幸的是 ， 陷阱和其他界面缺陷會降低載流子遷移率 ， 而硅通道厚度的實際極限似乎約為 3nm 。
斯坦福大學研究員 Aravindh Kumar 在一次采訪中解釋說 ， 二維過渡金屬二硫化物 （TMD） ， 如 MoS2和 WSe2沒有平面外的懸空鍵 ， 其頂部和底部表面的相互作用有限 ， 對載體行為幾乎沒有影響 。 特別是MoS 2 ， 易于合成且非常穩定 。
盡管如此 ， TMD 沉積通常需要非常高的溫度 ， 遠高于通常使用的底柵結構的公差 。 在imec ， 研究員 Yuanyuan Shi 及其同事使用 1 ， 000°C MOCVD 工藝進行 MoS 2沉積 。 出于這個原因 ， 大多數關于 TMD 器件的研究要么使用從散裝材料剝離的薄片 ， 要么使用在藍寶石或二氧化硅上生長然后轉移的獨立層 。
雖然層轉移方法允許器件研究與工藝開發并行進行 ， 但低溫硅兼容沉積工藝對于 TMD 器件的商業化至關重要 。 在 12 月的 IEEE 電子設備會議上報告的工作中 ， 英特爾高級研究工程師 Kevin O'Brien 和他的同事使用預先圖案化的金屬氧化物晶種來創建 WS2生長的成核位點 。 將金屬源直接放置在晶片上避免了使用固體金屬氧化物 CVD 源 。 受控成核限制了TMD 晶體的位置 ， 因此限制了與它們相關的晶界 。
獨立式 MoS2片材的質量取決于沉積工藝和原始基板 。 在 ACS Nano 中 ， 蘇塞克斯大學的研究員 Manoj Tripathi 及其同事報告說 ， 通過 CVD 在二氧化硅基底上生長的MoS 2處于張力狀態 ， 它在冷卻過程中比二氧化硅收縮得更多 。 儲存的張力防止了皺紋的形成 ， 這是剝落的 MoS2中的常見問題 。

【半導體|2D半導體前景喜憂參半】過渡金屬二硫屬化物單層的晶體結構：（a） 側視圖 ， （b） 俯視圖
優化器件結構

隨著薄膜的生長 ， 進入的分子會呈現出最有利的結構 。 在 MoS2中 ， 直接沉積在藍寶石上僅比沉積在預先存在的 MoS2表面上更有利 ， 具有多個MoS2層的島可以在與襯底接觸的層完成之前形成 。 這些島嶼的邊緣確實有懸空鍵 ， 盡管使它們更具反應性 。 Shi 的 imec 小組通過使用沉積后 Cl 2蝕刻來優先去除生長島 ， 從而利用邊緣反應性 。 島的去除提高了在藍寶石上生長的 MOCVD 薄膜的表面粗糙度和厚度均勻性 。
正如硅器件的未來可能依賴于堆疊納米片一樣 ， TMD 晶體管可能需要多個堆疊通道來承載足夠的電流 。 北京大學教授熊雄及其同事通過轉移兩個大型獨立單分子層 ， 然后將材料蝕刻到所需的器件尺寸 ， 制造了堆疊的 MoS 在單個堆棧中使用 MoS 2通道 。 相同的工藝也可用于制造堆疊互補 FET ， 例如2用于 NMOS 和 WSe2用于PMOS 。
如上所述 ， 目前最好的 MoS2器件取決于背柵設計 ， 其中柵極金屬和柵極氧化物沉積在硅襯底上 ， 然后在頂部放置MoS2層 。 這種方法提供了更好的設備性能 ， 但最終頂柵設備更具可擴展性 。 與環柵硅晶體管一樣 ， 具有匹配頂部和底部電容的雙柵將比單柵提供更好的通道控制 。 Imec 器件集成工程師 Xiangyu Wu 及其同事使用 GdAlOx中間層來改善雙柵極 MoS2器件中的電容匹配 。 中間層似乎可以減少短溝道效應并改善閾值電壓控制 。
制造獨立式 MoS2薄膜的工藝現在已經足夠成熟 ， 可以生產出統計上有用的設備數量 。 研究人員現在正在報告數千臺設備的統計數據 ， 這是可擴展過程的先決條件 。 不幸的是 ， 這數以千計的設備仍然落后于硅的性能基準 。

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