01研究背景

短溝道效應(yīng)嚴(yán)重制約了硅基晶體管尺寸的進(jìn)一步縮小，限制了其在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)集成電路中的應(yīng)用。開發(fā)新材料和新技術(shù)對于維系摩爾定律的延續(xù)具有重要意義。以二硫化鉬 (MoS2) 為代表的二維半導(dǎo)體，即使在單層厚度下依然具有優(yōu)異的電學(xué)性能，展現(xiàn)出在短溝道電子器件中的巨大應(yīng)用潛力。然而，本征 MoS2作為 n 型半導(dǎo)體，本身不足以構(gòu)建低功耗互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 電路，因此實(shí)現(xiàn) MoS2中的 p 型載流子通道對于構(gòu)建 CMOS 電路具有重要意義。摻雜是改變半導(dǎo)體極性的常用策略，V、Nb 和 Ta 等第五副族元素比 Mo 少一個價電子，是常見的 p 型摻雜劑。然而，目前人們對于摻雜 MoS2在短溝道下的電學(xué)特性仍然缺乏必要的認(rèn)識。

02研究內(nèi)容

近日，上海科技大學(xué)紀(jì)清清教授課題組通過使用密度泛函理論 (DFT) 和量子輸運(yùn)模擬，以 VS2-MoS2-VS2 面內(nèi)異質(zhì)結(jié)為模型體系構(gòu)建二維晶體管，揭示了 V 摻雜位點(diǎn)在短溝道下具有輔助隧穿效應(yīng)和雜質(zhì)散射的雙重電子學(xué)功能。

圖1MoS2、V 摻雜 MoS2以及 VS2 的電子結(jié)構(gòu)。

文章首先通過 DFT 計算了 MoS2，V 摻雜 MoS2以及 VS2 的電子結(jié)構(gòu)，如圖1所示，相比于本征 MoS2，V 摻雜對 MoS2電子結(jié)構(gòu)的主要影響表現(xiàn)為在價帶頂引入了新的電子態(tài)。

圖2 以 VS2 和 V-MoS2 面內(nèi)異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)構(gòu)建晶體管，EOT = 0.5 nm (a)。b, c 為價帶頂?shù)?LDOS 圖。

緊接著，作者以 VS2, V-MoS2, VS2 面內(nèi)異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)構(gòu)建晶體管 (EOT = 0.5 nm)，以此來研究 V 摻雜位點(diǎn)在短溝道時對電輸運(yùn)的影響。文章首先計算了溝道區(qū)域的差分電荷密度，結(jié)果表明，V 原子只與最近鄰的 Mo 原子發(fā)生了電子交換。該結(jié)果同樣反映在價帶頂?shù)?LDOS 中，如圖2b, c 所示，在 V 摻雜位點(diǎn)及其最近鄰 Mo 原子上有電子態(tài)分布，而其他溝道區(qū)域則沒有。

圖3不同溝道長度下器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，以及從中提取的開、關(guān)態(tài)電流及開關(guān)比。

作者進(jìn)一步通過 NEGF-DFT 對不同溝道長度下的本征 MoS2及 V-MoS2做電學(xué)輸運(yùn)模擬。研究發(fā)現(xiàn)，在溝道長度小于1.8 nm 時，V-MoS2 相比于本征 MoS2具有更高的閾值電壓和更大開態(tài)電流。而當(dāng)溝道長度增加到 2.4 nm 時，V-MoS2轉(zhuǎn)移曲線的亞閾值區(qū)間出現(xiàn)跨導(dǎo)峰，這一跡象在溝道長度為 3 nm 時得到了極致體現(xiàn)。當(dāng)溝道長度進(jìn)一步增大時，V-MoS2的轉(zhuǎn)移曲線變得不再光滑。

圖4Lch = 3 nm 時，不同柵壓下的 PDOS 及對應(yīng)的電子透射譜。

為了深入理解這一現(xiàn)象，作者以溝道長度為 3 nm 的器件為例，分析了不同柵壓下的 PDOS。如圖4所示，隨著柵壓的減小，溝道區(qū)域的電子態(tài)被逐漸拉高，首先進(jìn)入偏置窗口的是 V 摻雜位點(diǎn)的電子態(tài)。在該溝道長度下，載流子可以首先隧穿到 V 摻雜位點(diǎn)處，再隧穿到另一端電極，從而形成電流通道，在亞閾值區(qū)間表現(xiàn)為一個顯著的拐點(diǎn)。

圖5 不同溝道長度下 V 摻雜位點(diǎn)作用機(jī)制示意圖。

作者繪制了不同溝道長度下 V 摻雜位點(diǎn)作用機(jī)制示意圖以更加直觀的說明其作用原理。如圖5所示，當(dāng)溝道長度小于 1.8 nm 時，載流子可以直接在兩側(cè)電極之間隧穿，而V摻雜態(tài)則提供了更多的隧穿機(jī)會，表現(xiàn)為開態(tài)電流增大。當(dāng)溝道長度介于 2.4 nm 和 3 nm 之間時，載流子無法在兩側(cè)電極之間直接隧穿，但是可以通過 V 摻雜位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)間接隧穿，即載流子先從一側(cè)電極隧穿到 V 摻雜位點(diǎn)上，再隧穿到另一側(cè)電極。在該溝道長度下，V 摻雜位點(diǎn)表現(xiàn)出輔助隧穿的作用，在亞閾值區(qū)間出現(xiàn)顯著的拐點(diǎn)。當(dāng)溝道長度進(jìn)一步增加時，由于 V 摻雜位點(diǎn)距離兩端電極過遠(yuǎn)，載流子無法實(shí)現(xiàn)從電極到摻雜位點(diǎn)的隧穿，所以此時 V 摻雜位點(diǎn)表現(xiàn)為人們所熟知的載流子散射作用，阻礙載流子的傳導(dǎo)，使得轉(zhuǎn)移曲線不光滑。

03總結(jié)展望

這項工作使用 NEGF-DFT 揭示了短溝道二維晶體管中雜原子摻雜的電子效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了 MoS2中 V 摻雜位點(diǎn)的雙重電子學(xué)功能，即輔助隧穿增大源漏電流以及作為散射中心阻礙載流子傳導(dǎo)。這兩種相互競爭的電子效應(yīng)可以通過在 5 nm 以下的范圍內(nèi)改變溝道長度來進(jìn)行調(diào)制。這項工作加深了人們對于摻雜二維材料短溝道電學(xué)特性的認(rèn)識。上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院博士生魯躍和碩士生李晨雨為本文的共同第一作者，紀(jì)清清教授為獨(dú)立通訊作者。

05通訊作者簡介

紀(jì)清清，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院助理教授、研究員、博士生導(dǎo)師，致力于化學(xué)途徑實(shí)現(xiàn)下一代低維電子學(xué)。已在 Sci. Adv.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Nano Lett. 等期刊上發(fā)表60余篇研究論文（第一或通訊作者論文20余篇），谷歌學(xué)術(shù)總引用6000余次，H-index=38。