一维连结:打破晶体管尺寸下限的新方向

2023-02-09 14:35:19, 乐研 上海皓鸿生物医药科技有限公司


       场效应晶体管器件(FET)尺寸的极致缩减是半导体集成电路产业发展的不懈追求,主要包括传输通道长度和接触长度等器件尺寸的缩减和性能的优化。得益于超薄的原子结构,新型层状二维半导体具有优异的静电调控能力,在克服短通道效应、缩减器件通道长度方面展现出了显著优势。但二维半导体通道的结构和特性也使得金属半导体接触界面处存在较大的接触电阻,从而限制了器件性能和接触长度的缩减。因此,在实现超短接触长度的同时保持相对低的接触电阻是目前二维电子学领域亟待解决的关键科学技术问题。

金属单壁碳纳米管(SWCNTs)具有准1D单晶结构、远距离通道传输和高电流承载能力,是目前性能最好的纳米级量子线。最近的研究进展表明,它们可以与二维材料组装,形成具有多种功能的多维vdW异质结构。


图1-1D半金属连结的2D场效应晶体管的制备工艺


近日,清华大学的魏洋、张跃钢团队提出并发展了二维半导体的一维半金属连结。在这项工作中,他们提出了一种通过将两个手性相同的SWCNT电极集成到二维半导体上的1D金属连结方法,成功地将二维场效应晶体管器件的接触长度缩短到2nm以下


图2- MoS2通道和CNT电极的横断面STEM图和EELS图

图3-1D半金属连结的MoS2FET的俯视图和等效电路图


这种混合维度半金属半导体连结相比二维异质结更为紧密,并且可以在外部电场的调控下实现肖特基接触和欧姆接触之间的切换。作者设计了纵向传输线模型,实现了短接触极限下的低维场效应晶体管各项电学参数的定量评估。基于该模型提取得到一维二维接触界面电阻率和接触电阻在欧姆接触模式下分别可低至10-6Ω•cm250 kΩ•μm,这在二维半导体的超短连结中处于领先水平。

图4-1D半金属连结的接触电阻率和基准分析


总的来说,SWCNTs证明了它们与各种半导体形成良好连结的能力,这有力地支持了低功率电子器件的小型化和摩尔定律未来的扩展。研究结果表明1D半金属连结的独特的能带结构使其功函数大范围可调,从而可以匹配具有不同带边位置的半导体,可用做MoS2WS2WSe2等材料的通用电极。该系列工作为未来集成电路元器件尺寸的进一步微缩提供了新的发展思路和重要方法。

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参考文献

  Nat.Commun,2023,14,111,DOI:101038/s41467-022-35760-x



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