新型半导体异质集成及器件构筑

新型半导体异质集成及器件构筑廖蕾微纳光电器件及应用教育部重点实验室物理与微电子科学学院湖南大学晶体管界面控制：范德华异质集成界面控制：超薄缓冲层物性调控：嵌入与复合总结提纲晶体管界面控制：范德华异质集成界面控制：超薄缓冲层物性调控：嵌入与复合总结提纲集成芯片的构成p-typeFET+n-typeFETCMOS:微电子主流技术场效应晶体管（FET）核心器件现代芯片中大于88%的器件是由FET构成的特征尺寸接近极限2007200920112013201520172020NMOSSiC:PSiGeP.Ch.FDSOIFinFETFDSOI(Strain)WeffboostFinFETFDSOI(Pch)GechannelIII-VchannelGate-All-Around后摩尔器件？32/28nm22/20nm16/14nm10nm7nm5nm宽禁带半导体碳纳米管二维层状材料新材料隧穿晶体管负电容晶体管自旋晶体管新原理国际半导体路线图Hiruma Y et al. Journal of Applied Physics, 2008,103,084503硅厚度的极限表面粗糙度0.3‐0.5 nm表面悬挂键，厚度降低迁移率同时降低SOISmart cut沟道厚度极限:沟道厚度(Tbody)/沟道长度(Lch)~1/3Two-DimensionalLayeredMaterials原子级厚度的二维半导体材料二维材料是一种新型的柔性半导体材料，同时具有原子级的厚度接近完美的晶体结构原子级的厚度原子级的厚度同时具有很高的迁移率出色的机械强度高光透过率grapheneMoS2研究策略新材料晶体管硅基晶体管晶体管界面控制：范德华异质集成界面控制：超薄缓冲层物性调控：嵌入与复合总结提纲传统集成方法会损坏材料表面，引入缺陷,降低晶体管性能范德华异质集成化学键强相互作用界面间隙：0.20.3 nm作用力：30400 KJ/mol缺陷峰磁控溅射物理气相沉积电子束蒸发原子层沉积传统物理沉积集成方法应力缺陷成键二维石墨烯的拉曼图谱Ni ZH et al.ACS Nano2008, 2, 10338范德华集成vs. 传统沉积Liu, Y. et al.Nature 2018, 557, 696Liao L, et al. PANS 2010, 107,6711Liao  L,etal. Adv. Mater. 2010, 22,1941Liao L, et al. Nano Lett. 2010, 10,1917物理转移法构建石墨烯晶体管顶栅石墨烯晶体管的迁移率达到23,000cm2/Vs；已经接近二氧化硅表面石墨烯迁移率的理论预测极限。自对准栅石墨烯晶体管Liao L, et al. Nature 2010, 467, 305;            Liao L, et al. Nano Lett. 2012, 12, 2653Liao L, et al. Mater. Today 2012, 15, 328;   Cheng R, Liao L, et al. PNAS 2012, 109, 11588`利用纳米线做自对准栅电极，能够有效的降低寄生电阻，获得高性能石墨烯射频晶体管，fT300GHz.构建规模化的石墨烯射频晶体管，昀大工作截止频率达到427GHz，至今为止是昀快的石墨烯晶体管。高震荡频率的石墨烯T型栅射频晶体管Wu Y, Liao L, et. al.ACS Appl. Mater. Interfaces2016,8, 256451.Au做转移牺牲层2.控制源漏与栅的距离3.fT达255GHz4.fmax高达200GHz纳米线栅负电容二硫化钼晶体管Lch(nm)Ion(μA/μm)Ioff(nA/μm)gm(μS/μm)SS(mV/dec)ITRS2.0HP2017181.29×103100NA70ITRS2.0LP2017206370.1NA70Thiswork85438~10-345.542.5Liao L, et. al.Adv. Mater.2018,30, 1800932Liao L, et. al.Adv. Funct. Mater.2017,27, 1602250二维GeSe/WSe2范德华异质结光电晶体管由于两种材料费米面在栅压下的不同状态，通过调节栅极电压，实现器件正负光电压（‐0.1‐0.7V）的调控，响应度可以有5个数量级的变化。Liao L et. al.NanoEnergy,2018,49, 103晶体管界面控制：范德华异质集成界面控制：超薄缓冲层物性调控：嵌入技术总结提纲缓冲层技术-半导体材料生长迁移率：64cm2/V∙s开关比：108亚阈值斜率接近理论极限LiaoL,etal.Adv.Mater.2014,26,6255LiaoL,etal.ACSNano2016,10,1714超薄金属钇作为缓冲层生长high-k介电氧化物晶体管器件良好的界面电流密度大亚阈值小超薄金属缓冲层生长栅介质LiaoL,etal.Adv.Mater.2016,28,2062Gao,Liaoetal.NatureComm.2017,8,15549迁移率：88cm2/V∙s开关比：108极低的界面态密度单层BN作为缓冲层生长high-k介电氧化物。低温结晶，高质量。二维氮化硼缓冲层生长栅介质并且研究了超薄介质的尺寸效应，显示超薄介质薄膜可能并不存在所谓的临界尺寸和尺寸效应。LiaoL,etal.Small2015,11,5932超薄氧化层缓冲层生长栅介质使用臭氧在二硫化钼表面引入超薄氧化层，并沉积高质量的HfO2栅介质，有效介质厚度EOT~1 nm，获得了当时室温下昀大的饱和输出电流密度（612 μA/μm）的顶栅晶体管。利用单层氮化硼作为缓冲层，实现源漏隧穿接触，降低肖特基势垒，消除钉扎效应。肖特基势垒：31meV迁移率：321cm2/V∙s接触电阻：1.8Kohm∙mLiaoL,etal.Adv.Mater.2016,28,8302LiaoL,etal.Adv.Funct.Mater.2018,28,1801398超薄氮化硼构建源漏隧穿电极晶体管界面控制：范德华异质集成界面控制：超薄缓冲层物性调控：嵌入与复合总结提纲注入与扩散注入扩散二维材料面内原子间价键一般较强，用常规掺杂方案替代面内原子来调控材料的物性往往效果不佳。二维材料层间作用力主要是范德华力，相互作用较弱。提出嵌入低维材料的方法，即不改变二维材料本身结构、原子类型和比例，只在层间或者表面嵌入和吸附其他分子、离子或低维材料，改变层间间距或表面电负性，达到调控材料物性的目的。离子嵌入二维材料H. Zhang, L. Liao, X. F. Yu et al. Adv. Mater. 2017, 29, 1703811通过阳离子-π相互作用，在溶剂中自由分散的金属阳离子,可以自发吸附到黑磷的表面，钝化黑磷中磷原子的孤对电子，极大地提高了黑磷片层的稳定性。晶体结构禁带宽度功函数如：黑磷随层数变化的物性是光电器件制备和性能的不确因素由于层间相互作用，二维材料的能带和性能往往跟层数相关。单层的性质常常是最优的，但是在器件的研制中单层界面影响最大。如何能获得与层数无关的二维材料结构（单层性质），获得均一器件？分子嵌入二维材料利用单层二维晶体/单层分子反复叠加成功实现了人工二维超晶格（MACMS），获得材料物性与层数无关的人工二维黑磷原子超晶格结构。两层黑磷原子间距由5.23 Å增加至11.27 Å，原子晶体分子超晶格：结构L. Liao, Y. Huang, X. F. Duanet al. Nature2018, 555, 231晶体管开关比107,器件性能和稳定性得到大幅提升；通过改变嵌入分子的结构可以实现不同几何构造的二维超晶格结构，实现对电学和光学性能的调控；这一方法可以延伸到二维材料的各方面应用中1.9K300KBPMACMS1.9K300KL. Liao, Y. Huang, X. F. Duanet al. Nature2018, 555, 231原子晶体分子超晶格：器件晶体管界面控制：范德华异质集成界面控制：超薄缓冲层物性调控：嵌入与复合总结提纲总结采用范德华异质集成和超薄缓冲层方法，抑制传统沉积技术产生的缺陷，降低栅介质/二维材料的界面缺陷密度，削弱金属/二维材料的钉扎效应，获得了高质量的器件界面；开发嵌入技术，在二维层状材料和金属氧化物中复合低维异质材料，获得了物性与层数无关的二维超晶格结构。致谢何军教授国家纳米中心段镶峰教授加州大学胡伟达教授中科院技物所何颂贤教授香港中文吴文伟教授台湾交大合作者刘兴强，邹旭明，王竞立，杨振宇，苏萌，江贝，万达课题组成员项目谢谢Thank You