過(guò)渡金屬二硫化物成為未來(lái)晶體管開(kāi)發(fā)的重要材料

電子工程師不斷嘗試開(kāi)發(fā)更薄、更高效和性能更好的晶體管，這是大多數(shù)現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心半導(dǎo)體器件。為此，他們一直在評(píng)估各種材料的潛力。過(guò)渡金屬二硫化物 (TMD) 是一種基于過(guò)渡金屬和硫?qū)僭氐幕衔?，具有非常有吸引力的電子和機(jī)械性能，使其成為開(kāi)發(fā)未來(lái)幾代晶體管的有前途的候選者。最值得注意的是，它們具有原子級(jí)薄結(jié)構(gòu)，沒(méi)有懸空鍵和類(lèi)似于硅的帶隙。

金屬半導(dǎo)體結(jié)是現(xiàn)代電子器件中不可或缺的重要組成部分。近年來(lái)出現(xiàn)的二維半導(dǎo)體 (例如過(guò)渡金屬二硫化合物)，由于其合適的能隙，光滑的表面結(jié)構(gòu)，有望突破傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體的限制，實(shí)現(xiàn)納米尺度上的新型電子器件。目前實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)開(kāi)始研究多種金屬和二維半導(dǎo)體材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了原子尺度上的晶體管效應(yīng)。但是由于缺乏對(duì)金屬電極和二維半導(dǎo)體材料相互作用的理論認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)研究中載流子注入效率和載流子遷移率都較低，阻礙了這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。本項(xiàng)目擬采用密度泛函理論的方法，以金屬與過(guò)渡金屬二硫?qū)倩飶?fù)合結(jié)構(gòu)為對(duì)象，研究二硫化物相結(jié)構(gòu)、金屬電極的功函數(shù)、復(fù)合結(jié)構(gòu)軌道的匹配性、以及門(mén)壓等外界因素對(duì)金屬半導(dǎo)體結(jié)接觸能壘和電阻的影響，揭示它們相互作用的機(jī)制，總結(jié)一般規(guī)律，力求得到一個(gè)較清晰的物理圖像。在此基礎(chǔ)上，分析降低接觸勢(shì)壘，提高載流子注入效率和遷移率的可靠途徑，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。

盡管具有優(yōu)勢(shì)特性，但過(guò)渡金屬二硫化物(TMD) 尚未用于大規(guī)模制造晶體管。造成這種情況的主要原因是這些材料和基板之間的界面處的粘附能較弱，這使得它們的廣泛制造具有挑戰(zhàn)性。

三星電子和芝加哥大學(xué)的研究人員最近確定了一種策略，可以在晶圓級(jí)上可靠地集成基于 TMD 的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。他們?cè)贜ature Electronics上發(fā)表的一篇論文中介紹了他們提出的方法，該方法基于粘附光刻技術(shù)的使用，這是一種在不同材料樣品之間形成納米級(jí)間隙的創(chuàng)新技術(shù)。

“基于二維材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管是下一代半導(dǎo)體芯片中硅基器件的潛在替代品，”Van Luan Nguyen 和他的同事在他們的論文中寫(xiě)道。“然而，二維材料和基板之間的界面粘附能量較弱，可能導(dǎo)致晶圓級(jí)晶體管的良率低和不均勻。此外，傳統(tǒng)的光刻工藝——包括光化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)蝕刻——會(huì)損壞原子級(jí)薄的材料?！?

作為他們研究的一部分，Nguyen 和他的同事證明了二維材料和不同基材之間的界面粘附能 (IAE) 可以使用四點(diǎn)彎曲法進(jìn)行量化。然后，他們使用化學(xué)氣相沉積 法生長(zhǎng)二維材料二硫化鉬(MoS 2 ) 和石墨烯。

隨后，他們研究了固有材料缺陷對(duì)大表面積材料 IAE 值的影響。為了在材料和基板之間形成界面，他們最終將材料轉(zhuǎn)移到金屬或絕緣層上。

Nguyen 和他的同事在他們的論文中解釋道：“我們表明，二維材料與不同基材之間的界面粘附能可以使用四點(diǎn)彎曲法進(jìn)行量化?！? “我們發(fā)現(xiàn)二硫化鉬/二氧化硅界面的界面粘附能為 0.2 J m ?2，可以通過(guò)結(jié)合具有不同末端終止化學(xué)的自組裝單分子層將其從 0 調(diào)節(jié)到 1.0 J m ?2 。我們使用這創(chuàng)造了一種基于粘附能量差異和物理蝕刻工藝的粘附光刻方法?！?

Nguyen 和他的同事證明了他們的制造策略的可行性，他們使用它來(lái)生產(chǎn)超過(guò) 10,000 個(gè)基于 6 英寸晶圓的二硫化鉬 FET，獲得了令人印象深刻的幾乎 100% 的產(chǎn)量。未來(lái)，他們提出的方法可以進(jìn)一步完善和改進(jìn)，通過(guò)減少錯(cuò)誤和提高這些材料與基板之間的附著力，有可能實(shí)現(xiàn)基于過(guò)渡金屬二硫化物(TMD)的 FET 的大規(guī)模制造。