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1、爾弟火乡物理与微电子科学学院hunan university School of Physics and Electronics施in傲纳光电器1牛及应用钗盲部重点实验皇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UCLANCFETsMPMS新方法： 沟道缩减0砒機HUNAN UNIVERSITYAdv. FunctMater.MaterSmallNano Lett.Adv. MaterDrainMoS; Buffer layer310Nano EnerSmall新方法； 存储器件Tunnelling300 G射频晶体管NatureAdv. Mater
2、.新方法： 隧穿接触Adv. FunctMater.深入理解:接触电阻Tlnw (a)新方向： 光电子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：嵌入与复合总结晶体管集成芯片的构成现代芯片中大于88%的器件是由FET构成的1I1-V100080402019351995190=y2(XM)场效应晶体管(FET)，核心器件1990Yearp-type FET + n-type FET+ CMOS:微电子主流技术4%8%特征尺寸接近极限32/28nm22/20nm I 16/14nm10nmSiGe P.Ch.FinFETFDSOI(Pch)Weff boost Fin FETc
3、hannelFDSOI(Strain)Gate-All-AroundNMOS SiC:PFDSOI/国际半导体路线图、新材料宽禁带半导体碳纳米管二维层状材料隧穿晶体管负电容晶体管自旋晶体管硅厚度的极限沟道厚度极限：沟道厚度(Tbdy)/沟道长度(Lch) V 1/3SOISmart cuto o o o o O o o o o O5 4 3 2 1 h、E。】 AM=qoE UOIEUJ5冋 m4妇表面悬挂键,厚度降低迁移率同时降低Hiruma Y et al. Journal of Applied Physics, 2005,103,084503原子级厚度的二维半导体材料二维材料是一种新型的
4、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研究策略硅基晶体管介质层介质层新材料晶体管新型半导体晶体管构建物性调控 界面控制 %界面控制：范德华异质集成范德华异质集成传统集成方法会损坏材料表面，引入缺陷，降低晶体管性能8传统物理沉积集成方法二维石墨烯的拉曼图谱化学键强相互作用 界面间隙：0.2-0.3nm 彳乍用力：30-400 KJ/mol磁控溅射 R 物理气相沉积八 电子束蒸发；丿R -缺陷峰，,原子层沉积1290、/18002400Wavenumber (cm、3000NiZH ef al. ACS Nano
5、2008, 2 1033范德华集成vs .传统沉积Peeling transferred metalTransfi metalsEvaporated metalsPeding evaporated metal10 |im5 heLiu, Y. et al. Nature 2018, 557, 696物理转移法构建石墨烯晶体管ad rn.3)A=suoe一:顶栅石墨烯晶体管的迁移率达到23,000 cm2/Vs；已经 接近二氧化硅表面石墨烯迁移率的理论预测极限。Liao L, et al. PANS 2010, 107,6711Liao L,et al. Adv. Mater. 2010, 22
6、,1941Liao L et al. Nano Lett. 2010,10,1917自对准栅石墨烯晶体管Channel length (nm)Frequency (GHz) 44 nm 22 nm: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，最大工作截止频率达到 427 GHz,至今为止是最快的石墨烯晶体管。Liao L, et al. Nature 2010, 467, 305; Liao L, et al. Nano Lett 2012,12, 2653Liao L, et al. Mater. Toda
7、y 2012, 15, 328; Cheng 凡 Liao L, et al. PNAS 2012, 109, 11588高震荡频率的石墨烯T型栅射频晶体管1.Au做转移牺牲层!1!2.控制源漏与栅的距离3. &达255 GHz4. 福乂高达200 GHz IBM Ouro CVD-4A CETC13lnitltuto 8IC1001000Channel length (nm)604020mpG一 8 Before dembodding After do-emboddingf 户 255G&o1E91E101E11Frequency (Hz)o o o o 321mpcMo01E91E101E
8、11Frequency(Hz)Wu K Liao z et. al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 25645纳米线栅负电容二硫化铝晶体管Back-gated MoS2 FETShort-channel MoS2 FET20 K ! 80 K 100 K140 KFE layerShort-channel MoS2 NC-FETF 1 1 3 5 7J1O1O-1O-1O-1O-I1WSP- o o o o o5 4 3 2 1 0180 K220 K-Emvas260 K -300 K 340K 360 KITRS 2.0 HP 2017This
9、workLch (nm)Ion(MA/pm)Uff (nA/pm)9m (pS/pm)SS (mV/dec)181.29X103100NA70206370.1NA708543810.345.542.5ITRS 2.0 LP 2017Liao L, et. al. Adv. Mater. 2018, 30, 1800932Liao L et. al. Adv. Funct. Mater. 2017. 2乙 1602250二维GeSe/WSe2范德华异质结光电晶体管(M/v) A=罢 odseo: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.L0.7 V)的调
10、控，响应 度可以有5个数量级的变化。Liao L et. al. Nano Energy, 2018, 49, 103界面控制：超薄缓冲层缓冲层技术-半导体材料生长GaN LayerBuffer LaverSi SubstratePassivation dielectric(crv&tal Atmcture of GaN on Si SubftT.rat?SIN or other gale dielectricDGaN cap layerAIGaN i-GaNNucleation and buffer layersilicon substrate超薄金属缓冲层生长栅介质超薄金属紀作为缓冲层 生
11、长high-k介电氧化物迁移率：64 cm2/V-s开关比：108亚阈值斜率接近理论极限晶体管器件电流密度大o o o o n2_IV vd1O110_良好的界面亚阈值小SS = 65 mv/dx1053pmLiao L, et al. Adv. Mater. 2014, 26, 6255Liao L, et al. ACS Nano 2016,10, 1714二维氮化硼缓冲层生长栅介质单层BN作为缓冲层生 长high-k介电氧化物。 低温结晶，咼质量。迁移率：88 cm2/V-s开关比：1。8极低的界面态密度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
12、。iy：超薄氧化层缓冲层生长栅介质使用臭氧在二硫化钳表面引入超薄氧化层，并沉积高质量 的HQ?栅介质，有效介质厚度EOT1 nm,获得了当时室温 下最大的饱和输出电流密度(612 nA/|im)的顶栅晶体管。Liao L,et al. Small 2015, 11, 5932超薄氮化硼构建源漏隧穿电极8m 8b 600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。Ni MoS2Ni 里 MoS2土.15冬105VFB without hBN I0b = 158 meV肖特基势垒：31meV400._.0-30-25-20-15 .60 -40 -2002040Vg (V)Vg (V) TEwith h-BN迁移率:321 cm2/V-s接触电阻:1.8 Kohm-pm2000、Tunnelling.I /
