宾夕法尼亚州立大学Nat.Electron.：采用替代掺杂和厚度控制的二维材料高性能p型场效应晶体管

成果介绍

在互补金属-氧化物-半导体技术中，二维（2D）半导体已成为硅的潜在替代品。二硫化钼(MoS₂)、二硒化钼(MoSe₂)和二硒化钨(WSe₂)等过渡金属二硫化物(TMDs)的单层极限厚度可薄至0.6纳米左右，但却能提供原子级的光滑无悬浮键表面，而类似厚度的块状半导体却很难做到这一点。基于MoS₂和WS₂等二维材料的n型场效应晶体管(FET)的发展使其更接近于满足国际器件和系统路线图的要求。这些发展包括高质量材料生长、接触工程、积极的沟道长度扩展以及高κ介质集成等方面的进步。然而，p型二维场效应晶体管的进展要慢得多。

有鉴于此，宾夕法尼亚州立大学Saptarshi Das教授在二维半导体领域取得了新进展。该团队通过对二硒化钼（MoSe₂）和二硒化钨（WSe₂）进行简并p型掺杂，成功克服了传统方法中的瓶颈。具体而言，研究人员采用了钒（V）、铌（Nb）和钽（Ta）等元素进行替代掺杂，显著降低了接触电阻（RC），使其在多层材料中最低可达到95 Ω µm。这一改进大大提高了二维FET的性能，并为p型器件的进一步优化提供了理论和技术支持。

通过简并掺杂，研究团队不仅有效减少了接触电阻，还发现薄层的掺杂效应受量子限制效应影响较大，导致较薄的层次中掺杂有效性减弱。为此，团队进一步发展了一种新的结构设计方法，采用了一种自限制蚀刻技术，该技术可以逐层去除金属电极之间的二维沟道区域，而电极下方的材料则不受影响，从而使通道区域保持薄层，而与电极接触区域则使用厚掺杂层，从而兼顾了高电流开关性能和优异的栅极调控能力。通过这种设计，研究人员成功获得了高达212 µA µm⁻¹的I_ON值，且器件在缩小尺寸时依然保持较高的I_ON/I_OFF值，证明了这一设计方法在高性能p型2D FET中的应用潜力。该成果为未来二维材料在大规模集成电路中的应用奠定了基础。    

图文导读

图1. 替代掺杂的p型MoSe₂ FET。图2. 原始和掺杂的MoSe₂的电子能带结构。       

图3. 简并掺杂对接触电阻的影响。图4. 具有可变沟道厚度的二维场效应晶体管设计。    

图5. 高性能p型双栅2D FET 图6. 掺铌CVD生长的大面积MoSe₂ FET的电学特性。

文献信息

High-performance p-type field-effect transistors using substitutional doping and thickness control of two-dimensional materials

（Nat.Electron.,2024,DOI:10.1038/s41928-024-01265-2）

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01265-2

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