南京大学：二维晶体管的库仑屏蔽与散射方面取得重要进展

近日，南京大学黎松林副教授、施毅教授团队在二维原子沟道晶体管的载流子散射机制方面取得重要进展。团队针对沟道厚度极端微缩条件建模，从玻尔兹曼输运方程出发，全面分析了沟道维度转变过程中，散射矩阵元、器件形状因子和二维极化函数等关键散射因素随沟道厚度的变化规律；厘清了沟道载流子与晶格声子、原子缺陷、界面库仑杂质、介质远程声子等因素的相互作用关系、散射几率与器件电学性能。

半导体行业多年来遵从摩尔定律，采用逐代缩短晶体管沟道的方法使芯片的集成度和性能不断提高。如图1所示，目前摩尔定律已逼近硅材料的物理极限，通过简单的制程换代来缩短沟道也日趋困难。主流的5纳米节点的鳍式晶体管（FinFET）实际沟道长度已经缩减至15纳米。理论预言，由于短沟道效应限制，硅基晶体管的实际沟道长度极限约为12纳米。为持续提高芯片性能，基于低维半导体等先进材料的后摩尔电子器件也正在研发中。

近年来，以过渡金属硫族化合物（如MoS2）等为代表的二维原子晶体受到了广泛关注（图1b）。从结构上来讲，二维原子晶体同时拥有零厚度涨落和原子级厚度两大优点，能有效避免硅基器件中由于"沟道厚度涨落散射"引起的迁移率急剧衰退问题。按照简单的三倍长厚比的经验原则，在有效规避短沟道效应前提下，二维晶体管的沟道长度可低至3纳米，因而具备构筑极限微缩长度沟道晶体管的潜力，有望成为后摩尔时代的下一代半导体材料。

然而，在沟道厚度微缩极限条件下，很多非本征的器件因素限制了二维晶体管电学性能。其中，位于半导体沟道与栅介质界面处的库仑杂质散射（图2a），是最为重要的载流子散射机制之一。因此充分理解二维晶体管中的库仑屏蔽效应和载流子散射机制具有重要的技术价值。在实际器件模型中，界面库仑杂质散射受诸多器件参数影响，包括沟道厚度、半导体和栅介质的相对介电常数、界面库仑杂质密度、器件形状因子、量子屏蔽效应等。目前，对于二维晶体管中各参数对界面库仑杂质的屏蔽效应的影响规律、以及载流子散射的严格理论计算等相关研究工作仍然不够深入。

基于此，南京大学电子科学与工程学院黎松林副教授/施毅教授团队基于一种独特的具有不对称界面库仑杂质浓度的双栅晶体管结构（图2b），利用栅控模式切换（顶栅或底栅模式）和沟道厚度变化（从1到5层，即2D至3D维度转变）等途径，来调控各种库仑散射参数，并总结其变化规律。

理论计算表明，通过切换栅控模式可控制沟道内载流子的重新分布（图2c），从而可导致界面库仑杂质与沟道载流子的平均作用距离以及散射强度的显著变化。此外，沟道维度变化也造成沟道介电常数和屏蔽特性的变化。系统的变温电学测量显示，5层MoS2的低温迁移率在栅控切换时会产生2.6倍的变化（图2d），主要与底栅和顶栅模式切换时散射距离的改变有关；理论计算也与实验结果相符合。与之相对地，当MoS2沟道维度减薄至1层时，由于沟道自身的原子级厚度限制，散射距离受控模式切换影响较小，因而库仑杂质散射强度基本不变（图2e）；同时由于散射距离降低，整体迁移率数值也较5层沟道显著降低。 研究还发现，由于对界面库仑杂质散射屏蔽的变化，器件迁移率随沟道的介电常数（随厚度变化）增大而减小。考虑沟道介电常数在沟道维度变化时的实际介电常数值后，器件迁移率的修正最大可达40%（图2g），这一维度转变造成的精细库仑屏蔽效应变化行为一直为人们所忽略。

总之，通过调节界面杂质浓度、散射作用距离和沟道介电常数等库仑散射相关因素，从理论和试验上深入研究了不同厚度和栅控工作模式下，二维沟道晶体管电学性能的变化规律。研究结果对深入理解原子厚度沟道晶体管中的库仑屏蔽和载流子散射机制，以及开发高性能后摩尔电子器件具有重要的参考价值。

该工作近日以"Coulomb screening and scattering in atomically thin transistors across dimensional crossover"为题，发表在南京大学学科卓越期刊《纳米快报》上（Nano Letters, 22, 6671, 2022）。我校电子学院博士生居仕豪是该论文的第一作者，黎松林副教授为论文的通讯作者，施毅教授和潘丹峰工程师也参与了该工作。该研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划的资助，同时得到南京大学电子学院微制造与集成工艺中心的支持。

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