En Ru
Полностью двумерный вертикальный металл-полупроводниковый полевой транзистор с длиной канала и контактов менее 10 нм
Аннотация
Одновременное масштабирование длины канала (Lch) и длины контакта (Lc) в полевых транзисторах на основе дихалькогенидов переходных металлов остаётся актуальной проблемой в производстве. В данной работе представлен 2D вертикальный металл-полупроводниковый полевой транзистор (MESFET) с каналом MoS2, который контактирует с боковой стенкой гетероструктуры графен (исток)–hBN (изолятор)–графен (сток)–hBN (изолятор). Самосовмещённый барьер Шоттки TiS2–MoS2 обеспечивает полное управление каналом затвора. Lch и Lc определяются толщинами нижнего hBN и графеновых электродов соответственно. Следовательно, Lch и Lc можно одновременно уменьшить до величины менее 10 нм при вертикальном шаге менее 30 нм. Типичный прибор демонстрирует отношение вкл/выкл > 107 при рабочем напряжении -0,5 В, подпороговый наклон около 62 мВ/дек, снижение барьера, индуцированное стоком, около 33 мВ/В и плотность тока в открытом состоянии около 144 мкА/мкм при 1 В.
Полевой транзистор (FET) — основной компонент современных интегральных схем.
Миниатюризация FET обеспечивает рост плотности чипов и энергоэффективности.
Поскольку кремниевые FET приближаются к физическим и технологическим пределам, дальнейшее масштабирование сопровождается короткоканальными эффектами (SCE), ростом энергопотребления и увеличением стоимости изготовления. Двумерные (2D) ван-дер-ваальсовые (vdW) материалы, такие как дихалькогениды переходных металлов (TMDC), графен и гексагональный нитрид бора (hBN), имеют атомарную толщину и поверхности без свободных связей, что обеспечивает ослабление SCE, формирование чистых интерфейсов и отсутствие требования согласования решёток.
Основная метрика плотности транзисторов в традиционных планарных архитектурах — шаг контактированного поликремния (CPP), представляющий собой сумму длины затвора, длины контакта и необходимого бокового зазора.
Полевой транзистор (FET) — основной компонент современных интегральных схем.
Миниатюризация FET обеспечивает рост плотности чипов и энергоэффективности.
Поскольку кремниевые FET приближаются к физическим и технологическим пределам, дальнейшее масштабирование сопровождается короткоканальными эффектами (SCE), ростом энергопотребления и увеличением стоимости изготовления. Двумерные (2D) ван-дер-ваальсовые (vdW) материалы, такие как дихалькогениды переходных металлов (TMDC), графен и гексагональный нитрид бора (hBN), имеют атомарную толщину и поверхности без свободных связей, что обеспечивает ослабление SCE, формирование чистых интерфейсов и отсутствие требования согласования решёток.
Основная метрика плотности транзисторов в традиционных планарных архитектурах — шаг контактированного поликремния (CPP), представляющий собой сумму длины затвора, длины контакта и необходимого бокового зазора.
Рис. 1. Схемы изготовления и поперечного сечения 2D вертикального металл-полупроводникового полевого транзистора (MESFET) и эквивалентная схема.
(a) Гетероструктура многослойный графен (FLG, исток)–гексагональный нитрид бора (hBN, нижний изолятор)–FLG (сток)–hBN (верхний изолятор) была собрана на подложке p+-Si/SiO2 механическим расслоением составляющих материалов. (b) Наклонная боковая стенка гетероструктуры обеспечена ультрафиолетовой (UV) литографией и реактивным ионным травлением (RIE). (c) Выращенный CVD монослой MoS2 и механически расслоенный многослойный TiS2 последовательно перенесены на этот участок. (d) Самосовмещённое травление. (e) Поперечное сечение конечного прибора. (f) Эквивалентная схема.
Поэтому необходимо масштабирование некоторых критических параметров (таких как длина затвора, канала и контакта (Lg/Lch/Lc.) В TMDC-МОП-транзисторах (MOSFET) для этого применяются дорогостоящие литографические процессы: глубокий ультрафиолет (DUV), экстремальный ультрафиолет (EUV) или электронно-лучевая литография (EBL).
Альтернативные стратегии — маскирование нанопроволокой, самоорганизующееся структурирование, формирование трещин, теневое испарение, самоокисление, селективное травление — позволяют создавать каналы менее 100 нм, однако соответствующие приборы имеют большие латеральные размеры. MoS2 FET с длиной затвора 1 нм (и менее) реализованы с использованием углеродных нанотрубок (CNT) и края монослойного графена в качестве затворов соответственно; физическая Lch в этих работах остаётся на микрометровом масштабе. Масштабирование контактных электродов ограничено эффектом скучивания тока. Длина переноса (LT) определяет предел масштабирования контактов. При приближении Lc, особенно у истока, к этому значению возникает скучивание тока и снижение тока во включённом состоянии.
В этой архитектуре Lch и Lc определяются толщиной плёнки, что обеспечивает атомарную точность без применения дорогостоящей литографии. VFET на основе архитектуры M (исток)–TMDC–M (сток) (M — графен, CNT или металл) имеют Lch, определяемую толщиной TMDC; в таких приборах наблюдается туннелирование исток–сток, что приводит к низкому отношению вкл/выкл и большому рабочему напряжению. VFET на основе боковой архитектуры исток–изолятор–сток (S-I-D) имеют канал TMDC на боковой стенке, а Lch определяется толщиной изолятора; в таких приборах туннелирование исток–сток подавлено, но вертикальный шаг увеличен.
Помимо MOSFET, металл-полупроводниковый FET (MESFET) — архитектура транзистора, в которой металлический затвор и полупроводниковый канал образуют переход Шоттки (SJ). В традиционных процессах изготовления MESFET на основе TMDC осаждение металла вносит дефекты в интерфейс, вызывая пиннинг уровня Ферми и ухудшение качества SJ.
В данной работе разработан и изготовлен полностью 2D вертикальный MESFET на основе vdW материалов с конфигурацией исток–изолятор–сток–изолятор (S-I-D-I). Чешуйки многослойного графена (FLG) служат истоком и стоком, чешуйки hBN — нижним и верхним изоляторами. Монослой MoS2 служит каналом и контактирует с боковой стенкой гетероструктуры S-I-D-I. Длина канала определяется толщиной чешуйки нижнего hBN, длины контактов — толщинами FLG. В качестве затвора использован TiS2 — vdW металлойд с проводимостью и работой выхода около 6,6 эВ, образующий SJ с MoS2.
Подход обеспечивает одновременное масштабирование длины канала и контактов до менее 10 нм при вертикальном шаге менее 30 нм. Процесс изготовления не включает осаждение диэлектрика/металла на TMDC, что сохраняет SJ и канал. Типичный прибор имеет отношение вкл/выкл > 107 при рабочем напряжении около -0,5 В, подпороговый наклон (SS) около 62 мВ/дек, DIBL около 33 мВ/В и плотность тока в открытом состоянии (Ion) около 144 мкА/мкм при 1 В. Sentaurus TCAD подтверждает электростатическое управление, обеспечиваемое конфигурацией с полным затвором, и отсутствие узких мест транспорта в канале
Альтернативные стратегии — маскирование нанопроволокой, самоорганизующееся структурирование, формирование трещин, теневое испарение, самоокисление, селективное травление — позволяют создавать каналы менее 100 нм, однако соответствующие приборы имеют большие латеральные размеры. MoS2 FET с длиной затвора 1 нм (и менее) реализованы с использованием углеродных нанотрубок (CNT) и края монослойного графена в качестве затворов соответственно; физическая Lch в этих работах остаётся на микрометровом масштабе. Масштабирование контактных электродов ограничено эффектом скучивания тока. Длина переноса (LT) определяет предел масштабирования контактов. При приближении Lc, особенно у истока, к этому значению возникает скучивание тока и снижение тока во включённом состоянии.
В этой архитектуре Lch и Lc определяются толщиной плёнки, что обеспечивает атомарную точность без применения дорогостоящей литографии. VFET на основе архитектуры M (исток)–TMDC–M (сток) (M — графен, CNT или металл) имеют Lch, определяемую толщиной TMDC; в таких приборах наблюдается туннелирование исток–сток, что приводит к низкому отношению вкл/выкл и большому рабочему напряжению. VFET на основе боковой архитектуры исток–изолятор–сток (S-I-D) имеют канал TMDC на боковой стенке, а Lch определяется толщиной изолятора; в таких приборах туннелирование исток–сток подавлено, но вертикальный шаг увеличен.
Помимо MOSFET, металл-полупроводниковый FET (MESFET) — архитектура транзистора, в которой металлический затвор и полупроводниковый канал образуют переход Шоттки (SJ). В традиционных процессах изготовления MESFET на основе TMDC осаждение металла вносит дефекты в интерфейс, вызывая пиннинг уровня Ферми и ухудшение качества SJ.
В данной работе разработан и изготовлен полностью 2D вертикальный MESFET на основе vdW материалов с конфигурацией исток–изолятор–сток–изолятор (S-I-D-I). Чешуйки многослойного графена (FLG) служат истоком и стоком, чешуйки hBN — нижним и верхним изоляторами. Монослой MoS2 служит каналом и контактирует с боковой стенкой гетероструктуры S-I-D-I. Длина канала определяется толщиной чешуйки нижнего hBN, длины контактов — толщинами FLG. В качестве затвора использован TiS2 — vdW металлойд с проводимостью и работой выхода около 6,6 эВ, образующий SJ с MoS2.
Подход обеспечивает одновременное масштабирование длины канала и контактов до менее 10 нм при вертикальном шаге менее 30 нм. Процесс изготовления не включает осаждение диэлектрика/металла на TMDC, что сохраняет SJ и канал. Типичный прибор имеет отношение вкл/выкл > 107 при рабочем напряжении около -0,5 В, подпороговый наклон (SS) около 62 мВ/дек, DIBL около 33 мВ/В и плотность тока в открытом состоянии (Ion) около 144 мкА/мкм при 1 В. Sentaurus TCAD подтверждает электростатическое управление, обеспечиваемое конфигурацией с полным затвором, и отсутствие узких мест транспорта в канале
Результаты
Изготовление и характеристика прибора
Процедуры изготовления показаны на рис. 1a–d. Гетероструктура FLG (исток)–hBN (нижний изолятор)–FLG (сток)–hBN (верхний изолятор) собрана на подложке p+-Si/SiO2 механическим расслоением. Более толстый FLG служит истоком. Методами ультрафиолетовой (UV) литографии и реактивного ионного травления (RIE) создан наклонный участок боковой стенки гетероструктуры. Выращенный CVD монослой MoS2 (характеризация в Дополнительном рис. 2) и механически расслоенный многослойный TiS2 последовательно перенесены на этот участок.
Верхний TiS2 использован в качестве маски; незакрытая часть MoS2 удалена вторым процессом RIE. Самосовмещённый SJ TiS2–MoS2 обеспечивает полное управление каналом затвором. Процессы приведены в Дополнительном рис. 3 и разделе «Методы».
Конечный прибор MESFET (рис. 1e) имеет вертикальную архитектуру S-I-D-I с боковой стенкой. Верхний hBN обеспечивает контакт MoS2 только с боковой стенкой верхнего FLG, что масштабирует длину контакта стока и ослабляет межслоевое туннелирование между затвором и стоком. Длина канала и длины контактов определяются толщинами нижнего hBN и FLG соответственно (рис. 1d).
Схема прибора и эквивалентная схема показаны на рис. 1f, где RG, Rch, RC, RD и RS — сопротивления затвора, канала, контакта, стока и истока соответственно. Проводимость канала MoS2 контролируется затвором посредством модуляции высоты барьера и ширины области обеднения.
На рис. 2a представлена оптическая микрофотография изготовленного прибора.
Истоковый FLG (s-FLG), нижний hBN (b-hBN), стоковый FLG (d-FLG) и верхний hBN (t-hBN) обозначены вокруг наклонного участка боковой стенки. Применены просвечивающая электронная микроскопия высокоуглового кольцевого темнопольного детектора (HAADF-STEM) и энергодисперсионная спектроскопия (EDS). Ложноцветное изображение на рис. 2b показывает гетероструктуру S-I-D-I с наклонной боковой стенкой и углом наклона (θ) около 43°. SJ TiS2–MoS2 расположен поперёк боковой стенки. Lch и Lc равны 9,6 и 6,7/6,2 нм соответственно. Соотношение потоков O2 к CHF3 влияет на скорость травления и θ (Дополнительное примечание 1, Дополнительный рис. 4, Дополнительная таблица 1).
Использовано соотношение O2/CHF3 = 20 sccm/1 sccm, обеспечивающее угол боковой стенки θopt≈45° (диапазон 43°–48°, Дополнительный рис. 5). Оценка Lch и Lc других приборов с идентичными условиями процесса выполняется по уравнениям: Lch=Tb-hBN/ sin θopt и Lc= TFLG/ sin θopt, где θopt= 45°, Tb-hBN и TFLG — толщины b-hBN и соответствующих FLG. Tb-hBN не должен быть менее 5 нм для предотвращения туннельного тока исток–сток (Дополнительный рис. 6). Соответствующая Lch ограничена значением 7,1 нм. Для ослабления эффекта скучивания тока TFLG не должен быть менее 4 нм. Соответствующая Lc ограничена значением 5,7 нм. EDS-картирование элементов Ti, Mo, N и C (рис. 2c) подтверждает расположение 2D слоёв. Характеризация методом микроскопии зонда Кельвина (рис. 2d) показывает разность поверхностного потенциала около 120 мВ между TiS2 и MoS2, что указывает на образование SJ на интерфейсе.
Процедуры изготовления показаны на рис. 1a–d. Гетероструктура FLG (исток)–hBN (нижний изолятор)–FLG (сток)–hBN (верхний изолятор) собрана на подложке p+-Si/SiO2 механическим расслоением. Более толстый FLG служит истоком. Методами ультрафиолетовой (UV) литографии и реактивного ионного травления (RIE) создан наклонный участок боковой стенки гетероструктуры. Выращенный CVD монослой MoS2 (характеризация в Дополнительном рис. 2) и механически расслоенный многослойный TiS2 последовательно перенесены на этот участок.
Верхний TiS2 использован в качестве маски; незакрытая часть MoS2 удалена вторым процессом RIE. Самосовмещённый SJ TiS2–MoS2 обеспечивает полное управление каналом затвором. Процессы приведены в Дополнительном рис. 3 и разделе «Методы».
Конечный прибор MESFET (рис. 1e) имеет вертикальную архитектуру S-I-D-I с боковой стенкой. Верхний hBN обеспечивает контакт MoS2 только с боковой стенкой верхнего FLG, что масштабирует длину контакта стока и ослабляет межслоевое туннелирование между затвором и стоком. Длина канала и длины контактов определяются толщинами нижнего hBN и FLG соответственно (рис. 1d).
Схема прибора и эквивалентная схема показаны на рис. 1f, где RG, Rch, RC, RD и RS — сопротивления затвора, канала, контакта, стока и истока соответственно. Проводимость канала MoS2 контролируется затвором посредством модуляции высоты барьера и ширины области обеднения.
На рис. 2a представлена оптическая микрофотография изготовленного прибора.
Истоковый FLG (s-FLG), нижний hBN (b-hBN), стоковый FLG (d-FLG) и верхний hBN (t-hBN) обозначены вокруг наклонного участка боковой стенки. Применены просвечивающая электронная микроскопия высокоуглового кольцевого темнопольного детектора (HAADF-STEM) и энергодисперсионная спектроскопия (EDS). Ложноцветное изображение на рис. 2b показывает гетероструктуру S-I-D-I с наклонной боковой стенкой и углом наклона (θ) около 43°. SJ TiS2–MoS2 расположен поперёк боковой стенки. Lch и Lc равны 9,6 и 6,7/6,2 нм соответственно. Соотношение потоков O2 к CHF3 влияет на скорость травления и θ (Дополнительное примечание 1, Дополнительный рис. 4, Дополнительная таблица 1).
Использовано соотношение O2/CHF3 = 20 sccm/1 sccm, обеспечивающее угол боковой стенки θopt≈45° (диапазон 43°–48°, Дополнительный рис. 5). Оценка Lch и Lc других приборов с идентичными условиями процесса выполняется по уравнениям: Lch=Tb-hBN/ sin θopt и Lc= TFLG/ sin θopt, где θopt= 45°, Tb-hBN и TFLG — толщины b-hBN и соответствующих FLG. Tb-hBN не должен быть менее 5 нм для предотвращения туннельного тока исток–сток (Дополнительный рис. 6). Соответствующая Lch ограничена значением 7,1 нм. Для ослабления эффекта скучивания тока TFLG не должен быть менее 4 нм. Соответствующая Lc ограничена значением 5,7 нм. EDS-картирование элементов Ti, Mo, N и C (рис. 2c) подтверждает расположение 2D слоёв. Характеризация методом микроскопии зонда Кельвина (рис. 2d) показывает разность поверхностного потенциала около 120 мВ между TiS2 и MoS2, что указывает на образование SJ на интерфейсе.
Рис. 2. Характеристика опытного 2D вертикального MESFET.
a) Оптическая микрофотография изготовленного прибора. Белые, чёрные и оранжевые штриховые линии обозначают FLG, hBN и барьер Шоттки (SJ) TiS2–MoS2 соответственно. SJ TiS2–MoS2 расположен на наклонной боковой стенке вертикально сложенной гетероструктуры FLG–hBN–FLG–hBN. Масштабная линейка: 10 мкм. b) Ложноцветное поперечное изображение HAADF-STEM MESFET с наклонной боковой стенкой (θ около 43°). Длина канала (Lch) и длина контакта (Lc) измерены как 9,6 и 6,7/6,2 нм. Синяя, серая, золотая и фиолетовая области соответствуют hBN, FLG, TiS2 и SiO2 соответственно. Белая штриховая линия указывает положение MoS2. Масштабная линейка: 10 нм.
c) Соответствующие EDS-картирования элементов Ti, Mo, N и C, дополнительно подтверждающие расположение составляющих 2D слоёв. Масштабная линейка: 5 нм.
d) Изображение KPFM SJ TiS2–MoS2 и соответствующий профиль поверхностного потенциала, извлечённый вдоль синей штриховой линии. Масштабная линейка: 2 мкм.
c) Соответствующие EDS-картирования элементов Ti, Mo, N и C, дополнительно подтверждающие расположение составляющих 2D слоёв. Масштабная линейка: 5 нм.
d) Изображение KPFM SJ TiS2–MoS2 и соответствующий профиль поверхностного потенциала, извлечённый вдоль синей штриховой линии. Масштабная линейка: 2 мкм.
Электрические свойства 2D вертикального MESFET
Прибор имеет Lch около 8,1 нм и Lc около 14,0 и 12,6 нм. Вертикальный шаг менее 30 нм; толщины s-FLG, b-hBN, d-FLG и t-hBN измерены до RIE (Дополнительный рис. 7). Измерена I–V кривая SJ (рис. 3a). Прибор имеет характеристики Шоттки с коэффициентом выпрямления выше 104. Коэффициент идеальности (η) около 1,21 рассчитан по уравнению η= q/(mln(10)kBT), где q — единичный заряд, m— наклон линейного участка, kB — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура. Значение η обусловлено процессом переноса металлического затвора, сохраняющим интерфейс между TiS2 и MoS2 и канал MoS2. Выходные кривые IDS–VDS MESFET измерены при различных напряжениях затвора (рис. 3b). Ion достигает 144 мкА/мкм при VDS= 1 В.
Линейная и насыщенная области соответствуют выходным характеристикам FET с переносом носителей между истоком/стоком и каналом. Ion снижается при уменьшении длины контакта истока ниже 14 нм (Дополнительный рис. 8), что указывает на LT менее 14 нм. По сравнению с опубликованными данными о коротких контактах (Дополнительная таблица 2), полученное значение LT определено прямым измерением физически масштабированных контактов. Значение обусловлено боковым контактом прибора.
Прибор имеет Lch около 8,1 нм и Lc около 14,0 и 12,6 нм. Вертикальный шаг менее 30 нм; толщины s-FLG, b-hBN, d-FLG и t-hBN измерены до RIE (Дополнительный рис. 7). Измерена I–V кривая SJ (рис. 3a). Прибор имеет характеристики Шоттки с коэффициентом выпрямления выше 104. Коэффициент идеальности (η) около 1,21 рассчитан по уравнению η= q/(mln(10)kBT), где q — единичный заряд, m— наклон линейного участка, kB — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура. Значение η обусловлено процессом переноса металлического затвора, сохраняющим интерфейс между TiS2 и MoS2 и канал MoS2. Выходные кривые IDS–VDS MESFET измерены при различных напряжениях затвора (рис. 3b). Ion достигает 144 мкА/мкм при VDS= 1 В.
Линейная и насыщенная области соответствуют выходным характеристикам FET с переносом носителей между истоком/стоком и каналом. Ion снижается при уменьшении длины контакта истока ниже 14 нм (Дополнительный рис. 8), что указывает на LT менее 14 нм. По сравнению с опубликованными данными о коротких контактах (Дополнительная таблица 2), полученное значение LT определено прямым измерением физически масштабированных контактов. Значение обусловлено боковым контактом прибора.
Рис. 3. Электрические свойства полностью 2D вертикального MESFET.
a Вольт-амперная (I–V) характеристика SJ TiS2–MoS2. b Выходные кривые зависимости тока сток–исток (IDS) от смещения (VDS) MESFET при различных напряжениях затвора (VGS) (от -0,5 до 1 В с шагом 0,25 В). c Соответствующие передаточные кривые IDS–VGS при различных VDS (0,01, 0,1 и 1 В). Левая и правая оси в логарифмическом и линейном масштабах соответственно. HP: высокопроизводительные, HD: высокоплотные, Ioff: токи в закрытом состоянии. d Отношение вкл/выкл прибора как функция рабочего напряжения при VDS= 0,1 В. Красная заштрихованная область отмечает диапазон работы менее 1 В, где достигается отношение вкл/выкл выше 107. Вертикальная синяя штриховая линия обозначает низковольтное питающее напряжение 0,7 В, указанное для КМОП-логики. e Соответствующие пороговое напряжение (Vth), DIBL, log(отношения вкл/выкл) и минимальный подпороговый наклон (SSmin) при различных VDS (0,01, 0,1 и 1 В). Данные извлечены из передаточных кривых, показанных в (c). f Соответствующие кривые SS–IDS при различных VDS (0,01, 0,1 и 1 В).
На рис. 3c показаны передаточные кривые IDS–VGS при различных VDS. Токи в закрытом состоянии (Ioff) < 10-4 мкА/мкм, что соответствует требованиям International Roadmap for Devices and Systems (IRDS) для высокопроизводительных (HP, Ioff< 10-2 мкА/мкм) и высокоплотных (HD, Ioff< 10-4 мкА/мкм) применений. Ток утечки затвора (Дополнительный рис. 9) соответствует характеристикам SI и требованию предела низкого энергопотребления < 1,5 × 10-2 А/см2. На рис. 3d показана зависимость отношения вкл/выкл от рабочего напряжения при VDS= 0,1 В. Рабочее напряжение определено как VGS, необходимое для достижения заданного отношения вкл/выкл. Прибор достигает отношения вкл/выкл выше 107 в окне работы около 1 В (переключение из закрытого в открытое состояние в диапазоне напряжений затвора от -0,5 до 0,5 В). Рабочее напряжение 0,5 В соответствует пределу 0,7 В стандарта КМОП-логики.
Из рис. 3c извлечены параметры MESFET: пороговое напряжение (Vth), отношение вкл/выкл и SS; они приведены на рис. 3e. DIBL, рассчитанный по сдвигу Vth при VDS= 0,1 и 1 В по уравнению DIBL = -(Vthhigh -Vthlow) / (VDShigh -VDSlow), составляет 33 мВ/В, что указывает на устойчивость к SCE. Отношение вкл/выкл достигает 107 при различных VDS.
Минимальный SS (SS = dVGS/d(log IDS)) составляет 62 мВ/дек, что близко к пределу Больцмана 60 мВ/дек. Зависимости SS–IDS при различных VDS (рис. 3f) показывают, что SS остаётся ниже 100 мВ/дек в диапазоне токов более четырёх порядков.
Для оценки предела электростатического управления вертикальной архитектуры извлечена эквивалентная по ёмкости толщина (CET). CET учитывает эквивалентную толщину затвора, vdW-зазор и эффекты квантовой ёмкости. Измерения вольт-фарадных характеристик (C–V) выполнены на SJ TiS2–MoS2 с различной толщиной TiS2. На Дополнительном рис. 10a наблюдаются области обеднения и накопления. CET извлечена из плотности ёмкости накопления (Caccum) по соотношению CET = 3,9ε0/Caccum, где ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, 3,9 — относительная диэлектрическая проницаемость SiO2. CET уменьшается с толщиной TiS2 (Дополнительный рис. 10b) и составляет 0,85 нм, что соответствует цели IRDS 2037 для логических применений (<0,9 нм). Эта электростатическая связь обеспечивает эффективность переключения и низкое энергопотребление MESFET. Обсуждение приведено в Дополнительном примечании 2.
Подвижность в полевом эффекте представительного MESFET извлечена по уравнению μ=(∂IDS/∂VGS) ·1/(qnW/L), где n — плотность носителей в см-2, q — единичный заряд, W и L — ширина и длина канала. Значение n извлечено из C–V измерений (Дополнительный рис. 11a,b). Из передаточных кривых MESFET (рис. 3c) и значения n получены зависимые от VGS значения μ (Дополнительный рис. 11c).
Процедуры извлечения приведены в Дополнительном примечании 3. При открывании канала подвижность растёт с напряжением затвора. При высоких VGS подвижность снижается из-за эффекта затвор–контакт, где контактное сопротивление доминирует в общем сопротивлении. Рассеяние на 2D интерфейсе и эффект насыщения скорости при высоком смещении также вызывают деградацию подвижности.
Гистерезис кривых IDS–VGS MESFET составляет 20 мВ (Дополнительный рис. 12). Это обусловлено отсутствием процессов осаждения диэлектрика затвора и металла при изготовлении MESFET.
Физический механизм и TCAD-моделирование
Проанализированы зонные диаграммы SJ TiS2–MoS2 и MESFET при различных напряжениях затвора. На рис. 4a–c TiS2 и MoS2 образуют зонное выравнивание I типа.
Разница между работой выхода TiS2 (ΦTiS2) и сродством к электрону n-MoS2 (χMoS2) вызывает изгиб зон n-MoS2 вверх и образование SJ. При прямом/обратном смещении SJ уровень Ферми n-MoS2 вблизи SJ смещается к/от края зоны проводимости, а встроенная потенциальная энергия (Φbi) уменьшается/увеличивается. Ширина области обеднения в канале MoS2 MESFET сужается/расширяется, модулируя эффективность переноса через канал. Архитектура MESFET с полным затвором обеспечивает электростатическую модуляцию за счёт прямого контакта металлического затвора со всем полупроводниковым каналом. Барьер Шоттки сохраняется благодаря vdW-интегрированию и термической обработке после сборки. Подход максимизирует ёмкостную связь, обеспечивая накопление заряда для поддержки Ion и снижения тока утечки. Ёмкостная связь отражается в значении CET 0,85 нм.
Из рис. 3c извлечены параметры MESFET: пороговое напряжение (Vth), отношение вкл/выкл и SS; они приведены на рис. 3e. DIBL, рассчитанный по сдвигу Vth при VDS= 0,1 и 1 В по уравнению DIBL = -(Vthhigh -Vthlow) / (VDShigh -VDSlow), составляет 33 мВ/В, что указывает на устойчивость к SCE. Отношение вкл/выкл достигает 107 при различных VDS.
Минимальный SS (SS = dVGS/d(log IDS)) составляет 62 мВ/дек, что близко к пределу Больцмана 60 мВ/дек. Зависимости SS–IDS при различных VDS (рис. 3f) показывают, что SS остаётся ниже 100 мВ/дек в диапазоне токов более четырёх порядков.
Для оценки предела электростатического управления вертикальной архитектуры извлечена эквивалентная по ёмкости толщина (CET). CET учитывает эквивалентную толщину затвора, vdW-зазор и эффекты квантовой ёмкости. Измерения вольт-фарадных характеристик (C–V) выполнены на SJ TiS2–MoS2 с различной толщиной TiS2. На Дополнительном рис. 10a наблюдаются области обеднения и накопления. CET извлечена из плотности ёмкости накопления (Caccum) по соотношению CET = 3,9ε0/Caccum, где ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, 3,9 — относительная диэлектрическая проницаемость SiO2. CET уменьшается с толщиной TiS2 (Дополнительный рис. 10b) и составляет 0,85 нм, что соответствует цели IRDS 2037 для логических применений (<0,9 нм). Эта электростатическая связь обеспечивает эффективность переключения и низкое энергопотребление MESFET. Обсуждение приведено в Дополнительном примечании 2.
Подвижность в полевом эффекте представительного MESFET извлечена по уравнению μ=(∂IDS/∂VGS) ·1/(qnW/L), где n — плотность носителей в см-2, q — единичный заряд, W и L — ширина и длина канала. Значение n извлечено из C–V измерений (Дополнительный рис. 11a,b). Из передаточных кривых MESFET (рис. 3c) и значения n получены зависимые от VGS значения μ (Дополнительный рис. 11c).
Процедуры извлечения приведены в Дополнительном примечании 3. При открывании канала подвижность растёт с напряжением затвора. При высоких VGS подвижность снижается из-за эффекта затвор–контакт, где контактное сопротивление доминирует в общем сопротивлении. Рассеяние на 2D интерфейсе и эффект насыщения скорости при высоком смещении также вызывают деградацию подвижности.
Гистерезис кривых IDS–VGS MESFET составляет 20 мВ (Дополнительный рис. 12). Это обусловлено отсутствием процессов осаждения диэлектрика затвора и металла при изготовлении MESFET.
Физический механизм и TCAD-моделирование
Проанализированы зонные диаграммы SJ TiS2–MoS2 и MESFET при различных напряжениях затвора. На рис. 4a–c TiS2 и MoS2 образуют зонное выравнивание I типа.
Разница между работой выхода TiS2 (ΦTiS2) и сродством к электрону n-MoS2 (χMoS2) вызывает изгиб зон n-MoS2 вверх и образование SJ. При прямом/обратном смещении SJ уровень Ферми n-MoS2 вблизи SJ смещается к/от края зоны проводимости, а встроенная потенциальная энергия (Φbi) уменьшается/увеличивается. Ширина области обеднения в канале MoS2 MESFET сужается/расширяется, модулируя эффективность переноса через канал. Архитектура MESFET с полным затвором обеспечивает электростатическую модуляцию за счёт прямого контакта металлического затвора со всем полупроводниковым каналом. Барьер Шоттки сохраняется благодаря vdW-интегрированию и термической обработке после сборки. Подход максимизирует ёмкостную связь, обеспечивая накопление заряда для поддержки Ion и снижения тока утечки. Ёмкостная связь отражается в значении CET 0,85 нм.
Рис. 4. Зонные диаграммы полностью 2D вертикального MESFET.
a–c Зонные диаграммы TiS2–MoS2 до контакта, после контакта и при прямом/обратном смещении соответственно. d–f Зонные диаграммы MESFET до формирования канала, при положительном напряжении затвора и при отрицательном напряжении затвора соответственно. Evc, Ec, Ef и Ev обозначают уровень вакуума, минимум зоны проводимости, уровень Ферми и валентную зону.
На рис. 4d–f совпадение работы выхода FLG (ΦFLG) и χMoS2 снижает барьер Шоттки на интерфейсе FLG/n-MoS2, обеспечивая перенос носителей. При фиксированном VDS прямое смещение SJ TiS2–MoS2 при положительном напряжении затвора переводит MESFET в открытое состояние с большим IDS, и наоборот.
Для количественного описания физики прибора выполнено моделирование Sentaurus TCAD. Моделируемая структура прибора представлена на рис. 5a. Согласие моделированных передаточных характеристик с экспериментальными данными подтверждает построенную модель (рис. 5b). На основе модели извлечены распределения электрического поля и плотности электронов. На рис. 5c электрическое поле в открытом состоянии сосредоточено в области истока, а не стока. Такое распределение поля обеспечивает инжекцию электронов у истока и сбор у стока, обеспечивая транспорт без узких мест. На рис. 5d в открытом/закрытом состоянии весь канал представляет собой однородную область накопления/обеднения носителей. Электростатическое управление обусловлено ёмкостной связью, обеспечиваемой конфигурацией с полным затвором.
Для количественного описания физики прибора выполнено моделирование Sentaurus TCAD. Моделируемая структура прибора представлена на рис. 5a. Согласие моделированных передаточных характеристик с экспериментальными данными подтверждает построенную модель (рис. 5b). На основе модели извлечены распределения электрического поля и плотности электронов. На рис. 5c электрическое поле в открытом состоянии сосредоточено в области истока, а не стока. Такое распределение поля обеспечивает инжекцию электронов у истока и сбор у стока, обеспечивая транспорт без узких мест. На рис. 5d в открытом/закрытом состоянии весь канал представляет собой однородную область накопления/обеднения носителей. Электростатическое управление обусловлено ёмкостной связью, обеспечиваемой конфигурацией с полным затвором.
Рис. 5. Моделирование TCAD.
a Модельная структура полностью 2D вертикального MESFET. b Сравнение экспериментальных и моделированных передаточных кривых IDS–VGS при VDS=1/0,1/0,01 В. c Распределение электрического поля (E) в открытом и закрытом состояниях. d Распределение плотности электронов (n) в открытом и закрытом состояниях. Масштабная линейка: 10 нм.
Воспроизводимость и сравнение
Для статистической проверки воспроизводимости и надёжности изготовлена дополнительная партия из 15 приборов с физической длиной канала 8,7 ± 0,7 нм в идентичных оптимизированных условиях. Функции распределения на рис. 6a показывают однородность приборов с узкими распределениями параметров. Отношение вкл/выкл достигает 7,8 × 108 (среднее 1,4 × 108), минимальный подпороговый наклон (SSmin) — 62 мВ/дек (среднее 81,5 мВ/дек). Минимальные значения DIBL и рабочего напряжения составляют 30 мВ/В и 0,5 В соответственно. Подробнее в Дополнительных рис. 13 и 14.
Для статистической проверки воспроизводимости и надёжности изготовлена дополнительная партия из 15 приборов с физической длиной канала 8,7 ± 0,7 нм в идентичных оптимизированных условиях. Функции распределения на рис. 6a показывают однородность приборов с узкими распределениями параметров. Отношение вкл/выкл достигает 7,8 × 108 (среднее 1,4 × 108), минимальный подпороговый наклон (SSmin) — 62 мВ/дек (среднее 81,5 мВ/дек). Минимальные значения DIBL и рабочего напряжения составляют 30 мВ/В и 0,5 В соответственно. Подробнее в Дополнительных рис. 13 и 14.
Рис. 6. Воспроизводимость и сравнение.
a График функции распределения ключевых метрик прибора, включая отношение вкл/выкл, SSmin, DIBL и рабочее напряжение полностью 2D вертикальных MESFET. b Сравнение Lch и рабочего напряжения в зависимости от отношения вкл/выкл полностью 2D вертикальных MESFET с ранее сообщёнными короткоканальными MoS2 FET. c Сравнение Ion,area в зависимости от Lc полностью 2D вертикальных MESFET с ранее сообщёнными MoS2 FET с короткими контактами. d Диаграмма сравнения комплексной производительности полностью 2D вертикальных MESFET с приборами других категорий.
Для оценки полностью 2D вертикальных MESFET проведено сравнение ключевых параметров с опубликованными данными для масштабированных MoS2 FET. Предыдущие исследования разделены на четыре группы по архитектуре и стратегии масштабирования:
(1) Planar-EBL: планарное распределение истока и стока с наноразмерным каналом или контактом, определённым EBL; (2) Planar-other methods: планарное распределение истока и стока с наноразмерным каналом, определённым альтернативными стратегиями; (3) Vertical-stack: вертикально сложенные структуры исток/канал/сток (M–MoS2–M, где M — графен, CNT или металл); (4) Vertical-sidewall-stack: вертикально сложенные структуры S-I-D с боковой стенкой. На рис. 6b сравниваются Lch и рабочее напряжение в зависимости от отношения вкл/выкл. Прибор имеет отношение вкл/выкл около 108 при масштабированной Lch, что указывает на устойчивость к SCE. Среди рассмотренных приборов только данный прибор удовлетворяет пределу рабочего напряжения 0,7 В стандарта КМОП-логики.
На рис. 6c сравнивается плотность тока в открытом состоянии опубликованных приборов с масштабированной Lc. Ток в открытом состоянии нормирован на площадь канала (Ion,area) для исключения геометрического вклада Lch. Прибор сохраняет высокую Ion,area при Lc около 10 нм. На рис. 6d представлена радиолокационная диаграмма сравнения представительных работ с данной. Данные приведены в Дополнительных таблицах 4 и 5.
(1) Planar-EBL: планарное распределение истока и стока с наноразмерным каналом или контактом, определённым EBL; (2) Planar-other methods: планарное распределение истока и стока с наноразмерным каналом, определённым альтернативными стратегиями; (3) Vertical-stack: вертикально сложенные структуры исток/канал/сток (M–MoS2–M, где M — графен, CNT или металл); (4) Vertical-sidewall-stack: вертикально сложенные структуры S-I-D с боковой стенкой. На рис. 6b сравниваются Lch и рабочее напряжение в зависимости от отношения вкл/выкл. Прибор имеет отношение вкл/выкл около 108 при масштабированной Lch, что указывает на устойчивость к SCE. Среди рассмотренных приборов только данный прибор удовлетворяет пределу рабочего напряжения 0,7 В стандарта КМОП-логики.
На рис. 6c сравнивается плотность тока в открытом состоянии опубликованных приборов с масштабированной Lc. Ток в открытом состоянии нормирован на площадь канала (Ion,area) для исключения геометрического вклада Lch. Прибор сохраняет высокую Ion,area при Lc около 10 нм. На рис. 6d представлена радиолокационная диаграмма сравнения представительных работ с данной. Данные приведены в Дополнительных таблицах 4 и 5.
Обсуждение
Продемонстрирована полностью 2D вертикальная архитектура MESFET с длиной канала и контактов менее 10 нм (вертикальный шаг менее 30 нм). MESFET построен из vdW материалов: FLG, hBN, MoS2, TiS2. Процесс изготовления не зависит от точности литографии и исключает прямое осаждение диэлектрика/металла на TMDC, что сохраняет SJ и канал. Типичный прибор имеет отношение вкл/выкл > 107 при рабочем напряжении 0,5 В, SSmin 62 мВ/дек, DIBL 33 мВ/В и Ion 144 мкА/мкм при 1 В. Метрики обусловлены конфигурацией прибора и наноразмерной инженерией контактов. С развитием роста графена, hBN и их гетероструктур в масштабе пластины и синтеза крупномасштабного TiS2 вертикальные MESFET-приборы могут быть переведены в промышленное производство.
Методы
Синтез монослоя MoS2
Плёнки монослоя MoS2 выращены на подложке p+-Si/SiO2 (285 нм) методом CVD в трёхзонной трубчатой печи. Прекурсоры: высокочистый триоксид молибдена (MoO3, 99,999%, 130 мг) и порошок серы (S, 99,999%, избыток). Промотор зародышеобразования — перилен-3,4,9,10-тетракарбоновой кислоты тетракалиевая соль (PTAS). Порошок S помещён в верхнюю по потоку зону при 150°C. Порошок MoO3, PTAS и подложка последовательно помещены в нижнюю по потоку зону при 650°C. Рост проведён в среде высокочистого Ar при атмосферном давлении. Скорость потока Ar — 15 sccm.
Продолжительность роста — 5 мин, охлаждение — естественное до комнатной температуры.
Перенос монослоя MoS2 на боковую стенку гетероструктуры
Монослой MoS2 перенесён на целевую подложку с помощью полиметилметакрилата (PMMA) в деионизированной воде. После отделения от ростовой подложки плёнка PMMA/MoS2 собрана на целевую подложку. После сушки в вакуумной камере в течение 12 ч подложка прогрета при 90°C в течение 2 мин для улучшения адгезии между MoS2 и боковой стенкой гетероструктуры. Слой PMMA удалён тёплым ацетоном.
Изготовление полностью 2D вертикального MESFET
Механически расслоенные чешуйки FLG и hBN перенесены на подложку p+-Si/SiO2 штампом из полидиметилсилоксана (PDMS) под микроскопом с микроманипулятором для формирования вертикальной гетероструктуры FLG–hBN–FLG–hBN. FLG подключены к двум предварительно изготовленным металлическим электродам.
Подложка отожжена в трубчатой печи при 200°C в среде Ar/H2 (10 sccm/40 sccm) при давлении 0,45 Торр в течение 2 ч. UV-литографией и RIE создан наклонный участок боковой стенки S-I-D-I. Перед RIE экспонированная область литографического окна очищена O2-плазмой. RIE проведено в смешанном газе O2/CHF3 (20 sccm/1 sccm) при давлении 6 Па и радиочастотной мощности 30 Вт. Продолжительность травления — 3 мин (Дополнительное примечание 1). CVD-монослой MoS2 перенесён на участок боковой стенки указанным методом. TiS2 перенесён на MoS2. С использованием TiS2 в качестве маски незакрытая часть MoS2 удалена вторым процессом RIE в среде O2 (30 sccm) в течение 1 мин. Давление — 7 Па, радиочастотная мощность — 70 Вт. Дополнительный FLG перенесён для подключения TiS2 к третьему предварительно изготовленному металлическому электроду. Прибор подвергнут финальной низкотемпературной отжиговой обработке в тех же условиях для удаления остатков среды переноса, снижения плотности пузырей и улучшения качества контактов.
Характеризация и измерения
Спектры комбинационного рассеяния (Raman) и фотолюминесценции (PL) получены на микрозондовой конфокальной Raman-системе с лазером 532 нм. Толщины 2D материалов и поверхностный потенциал SJ TiS2–MoS2 измерены атомно-силовым микроскопом.
Изображения HAADF-STEM и EDS-картирования получены на трансмиссионном электронном микроскопе с коррекцией сферической аберрации. Образец для HAADF-STEM подготовлен в системе фокусированного ионного пучка (FIB). Электрические измерения проведены в зондовой станции с системой характеризации полупроводников.
Все характеризации проведены в темноте при комнатной температуре.
TCAD-моделирование
Электрические свойства полностью 2D вертикального MESFET моделированы в Sentaurus TCAD. Параметры объёмных полупроводников (диэлектрическая проницаемость, сродство к электрону, работа выхода, ширина запрещённой зоны) адаптированы к слоистым 2D структурам. Между соседними интерфейсами 2D материалов введён vdW-зазор 0,2 нм.
Перенос носителей в канале MoS2 моделирован дрейфово-диффузионным приближением; подвижность в полевом эффекте ограничена фононным рассеянием. Для насыщения скорости в пределе высокого латерального поля использована модель Caughey–Thomas. Для учёта квантового ограничения применена модель квантовой коррекции density-gradient. Контакт FLG исток/сток–MoS2 моделирован как барьер Шоттки с моделью термоэлектронной эмиссии. Параметры приведены в Дополнительной таблице 3.
Плёнки монослоя MoS2 выращены на подложке p+-Si/SiO2 (285 нм) методом CVD в трёхзонной трубчатой печи. Прекурсоры: высокочистый триоксид молибдена (MoO3, 99,999%, 130 мг) и порошок серы (S, 99,999%, избыток). Промотор зародышеобразования — перилен-3,4,9,10-тетракарбоновой кислоты тетракалиевая соль (PTAS). Порошок S помещён в верхнюю по потоку зону при 150°C. Порошок MoO3, PTAS и подложка последовательно помещены в нижнюю по потоку зону при 650°C. Рост проведён в среде высокочистого Ar при атмосферном давлении. Скорость потока Ar — 15 sccm.
Продолжительность роста — 5 мин, охлаждение — естественное до комнатной температуры.
Перенос монослоя MoS2 на боковую стенку гетероструктуры
Монослой MoS2 перенесён на целевую подложку с помощью полиметилметакрилата (PMMA) в деионизированной воде. После отделения от ростовой подложки плёнка PMMA/MoS2 собрана на целевую подложку. После сушки в вакуумной камере в течение 12 ч подложка прогрета при 90°C в течение 2 мин для улучшения адгезии между MoS2 и боковой стенкой гетероструктуры. Слой PMMA удалён тёплым ацетоном.
Изготовление полностью 2D вертикального MESFET
Механически расслоенные чешуйки FLG и hBN перенесены на подложку p+-Si/SiO2 штампом из полидиметилсилоксана (PDMS) под микроскопом с микроманипулятором для формирования вертикальной гетероструктуры FLG–hBN–FLG–hBN. FLG подключены к двум предварительно изготовленным металлическим электродам.
Подложка отожжена в трубчатой печи при 200°C в среде Ar/H2 (10 sccm/40 sccm) при давлении 0,45 Торр в течение 2 ч. UV-литографией и RIE создан наклонный участок боковой стенки S-I-D-I. Перед RIE экспонированная область литографического окна очищена O2-плазмой. RIE проведено в смешанном газе O2/CHF3 (20 sccm/1 sccm) при давлении 6 Па и радиочастотной мощности 30 Вт. Продолжительность травления — 3 мин (Дополнительное примечание 1). CVD-монослой MoS2 перенесён на участок боковой стенки указанным методом. TiS2 перенесён на MoS2. С использованием TiS2 в качестве маски незакрытая часть MoS2 удалена вторым процессом RIE в среде O2 (30 sccm) в течение 1 мин. Давление — 7 Па, радиочастотная мощность — 70 Вт. Дополнительный FLG перенесён для подключения TiS2 к третьему предварительно изготовленному металлическому электроду. Прибор подвергнут финальной низкотемпературной отжиговой обработке в тех же условиях для удаления остатков среды переноса, снижения плотности пузырей и улучшения качества контактов.
Характеризация и измерения
Спектры комбинационного рассеяния (Raman) и фотолюминесценции (PL) получены на микрозондовой конфокальной Raman-системе с лазером 532 нм. Толщины 2D материалов и поверхностный потенциал SJ TiS2–MoS2 измерены атомно-силовым микроскопом.
Изображения HAADF-STEM и EDS-картирования получены на трансмиссионном электронном микроскопе с коррекцией сферической аберрации. Образец для HAADF-STEM подготовлен в системе фокусированного ионного пучка (FIB). Электрические измерения проведены в зондовой станции с системой характеризации полупроводников.
Все характеризации проведены в темноте при комнатной температуре.
TCAD-моделирование
Электрические свойства полностью 2D вертикального MESFET моделированы в Sentaurus TCAD. Параметры объёмных полупроводников (диэлектрическая проницаемость, сродство к электрону, работа выхода, ширина запрещённой зоны) адаптированы к слоистым 2D структурам. Между соседними интерфейсами 2D материалов введён vdW-зазор 0,2 нм.
Перенос носителей в канале MoS2 моделирован дрейфово-диффузионным приближением; подвижность в полевом эффекте ограничена фононным рассеянием. Для насыщения скорости в пределе высокого латерального поля использована модель Caughey–Thomas. Для учёта квантового ограничения применена модель квантовой коррекции density-gradient. Контакт FLG исток/сток–MoS2 моделирован как барьер Шоттки с моделью термоэлектронной эмиссии. Параметры приведены в Дополнительной таблице 3.
Дополнительные материалы
S1. Конфигурации FET
Дополнительный рис. 1. Сравнение конфигураций нашего полностью 2D вертикального MESFET и обычного планарного FET.
a Схема обычного планарного FET и определение CPP (CPP= Lg+ Lc+ 2Lsp). Lg, Lc и Lsp — длины затвора, контакта и внутреннего разделительного слоя соответственно. (b) Схема 2D вертикального FET и определение вертикального шага (вертикальный шаг = Ts+ Td+2Tin). Ts, Td и Tin — толщины истока, стока и изолятора соответственно. Верхняя/нижняя панели: вид сверху/сбоку.
S2. Характеризация выращенного монослоя MoS2
Дополнительный рис. 2. Морфология и оптическая характеристика выращенного монослоя MoS2 на подложке p+-Si/SiO2. a Оптические микрофотографии выращенного монослоя MoS2 на подложке p+ -Si/SiO2. b–c Спектры комбинационного рассовмещения и фотолюминесценции монослоя MoS2. d АСМ-изображение монослоя MoS2 вместе с профилем высоты.
S3. Детали изготовления прибора
Дополнительный рис. 3. Пошаговые схематические диаграммы процедур изготовления.
. a Предварительное осаждение металлических электродов Ti/Au (5/25 нм) на подложке p+-Si/SiO2 с использованием UV-литографии, электронно-лучевого испарения и lift-off процессов для целей измерений. b Гетероструктура FLG–hBN–FLG–hBN собрана на подложке механическим расслоением составляющих материалов, при этом s- и d-FLG подключены к двум различным электродам Ti/Au. c Наклонная боковая стенка гетероструктуры создана UV-литографией и RIE. Область травления обведена красными штриховыми линиями. Поперечная схема области боковой стенки увеличена на вставке. d Выращенный CVD монослой MoS2 и механически расслоенный многослойный TiS2 последовательно перенесены на область боковой стенки. e Незакрытая часть MoS2 удалена вторым процессом RIE, при этом верхний TiS2 служит маской, формируя самосовмещённый SJ TiS2–MoS2. Поперечная схема области боковой стенки увеличена на вставке. f Дополнительный FLG перенесён для подключения TiS2 к третьему предварительно осаждённому электроду Ti/Au для создания полного электрического соединения
Дополнительное примечание 1. Параметры RIE для подготовки боковой стенки
Во время процесса травления соотношение потоков O2 к CHF3 влияет на скорость травления (Дополнительный рис. 4a) и, соответственно, на θ. Более высокая скорость травления приводит к более крутой боковой стенке, что благоприятно для миниатюризации прибора, но неблагоприятно для формирования конформного контакта с MoS2 (Дополнительный рис. 4b). И наоборот, более низкая скорость травления создаёт более пологую боковую стенку, что улучшает контакт с MoS2, но жертвует пределом миниатюризации и увеличивает риск неполного травления (Дополнительный рис. 4c).
Чтобы оптимизировать взаимодействие между миниатюризацией и конформностью интерфейса, мы использовали соотношение O2/CHF3 = 20 sccm/1 sccm, что даёт оптимальный угол боковой стенки θopt≈45° (в диапазоне от 43° до 48°, Дополнительный рис. 5). Эти результаты суммированы в Дополнительной таблице 1.
Во время процесса травления соотношение потоков O2 к CHF3 влияет на скорость травления (Дополнительный рис. 4a) и, соответственно, на θ. Более высокая скорость травления приводит к более крутой боковой стенке, что благоприятно для миниатюризации прибора, но неблагоприятно для формирования конформного контакта с MoS2 (Дополнительный рис. 4b). И наоборот, более низкая скорость травления создаёт более пологую боковую стенку, что улучшает контакт с MoS2, но жертвует пределом миниатюризации и увеличивает риск неполного травления (Дополнительный рис. 4c).
Чтобы оптимизировать взаимодействие между миниатюризацией и конформностью интерфейса, мы использовали соотношение O2/CHF3 = 20 sccm/1 sccm, что даёт оптимальный угол боковой стенки θopt≈45° (в диапазоне от 43° до 48°, Дополнительный рис. 5). Эти результаты суммированы в Дополнительной таблице 1.
Дополнительный рис. 4.
Параметры RIE для подготовки боковой стенки. a Скорости травления hBN и FLG при различных значениях Oxygen-to-Fluorofom Ratio (OFR) при фиксированных давлении и мощности. OFR определяется как flowrate[O2]/flowrate[O2]+flowrate[CHF3]. b, c Поперечные HAADF-STEM изображения двух образцов, протравленных при различных соотношениях потоков O2/CHF3: 20 sccm/5 sccm (OFR = 0,8) и O_2/(CHF_3 ): 20 sccm/30 sccm (OFR = 0,4) соответственно. Масштабная линейка: 5 нм.
Дополнительный рис. 5.
Поперечные STEM-изображения, полученные в областях боковых стенок трёх различных образцов, подготовленных оптимизированным рецептом травления. a ThBN ≈ 11,7 нм, TFLG ≈ 6,7 нм. b ThBN ≈ 10,3 нм, TFLG ≈ 4,0 нм. c ThBN ≈ 8,2 нм, TFLG ≈ 7,6 нм. Углы наклона изменяются только в небольшом диапазоне (от ≈ 43° до ≈ 48°). Масштабная линейка: 5 нм.
Дополнительная таблица 1. Сводка характеристик травления и формирования боковой стенки при различных условиях oxygen-to-fluoroforrm ratio (OFR).
Рецепттравления Соотношение потоков O2 к CHF3 (sccm/sccm) | OFR | Скорость травления | Угол боковой стенки (θ) | Морфологическийрезультат |
40/1 | 0.98 | Чрезвычайно низкая для hBN | / | Сбой травления |
20/1 | 0.95 | Высокая и сопоставимая для hBN и FLG (>10 нм/мин) | ~45° | Оптимизированное состояние |
20/5 | 0.80 | Наивысшие значения для hBN и FLG | ~56° | Благоприятно для масштабирования; Плохой контакт |
20/30 | 0.40 | Чрезвычайно низкая для FLG | ~36° | Неблагоприятно для масштабирования; Хороший контакт; Неполное травление |
Дополнительный рис. 6. Оценка предела толщины b-hBN.
Ток, измеренный при В, для гетероструктур FLG/hBN/FLG с различными толщинами hBN. FLG служат электродами.
S4. Описание и электрические характеристики типичных приборов
Дополнительный рис. 7. АСМ-характеризация представительного прибора в основном тексте.
a Профили высоты s-FLG, b-hBN, d-FLG и t-hBN (измерены до травления). b Профиль высоты боковой стенки гетероструктуры FLG–hBN–FLG–hBN, измеренный вдоль белой линии на вставке. Вставка: АСМ-изображение области боковой стенки. Шаг деления: 1 мкм.
Дополнительная таблица 2. Сводка LT и соответствующего метода извлечения для опубликованных MoS2 FET с короткими контактами.
L_T (нм) | Метод извлечения |
< 14 | Прямое экспериментальное наблюдение |
< 30 | Прямое экспериментальное наблюдение |
5.1 | Аппроксимация TLM |
< 30 ~5 | Прямое экспериментальное наблюдение Моделирование квантового переноса |
~45 | Прямое экспериментальное наблюдение |
< 30 ~26 | Прямое экспериментальное наблюдение TCAD-моделирование |
~7 | Аппроксимация TLM |
~13 < 2 | Прямое экспериментальное наблюдение TCAD-моделирование |
~35 | Прямое экспериментальное наблюдение |
Дополнительный рис. 9. Ток утечки затвора прибора.
Дополнительный рис. 10. Извлечение CET.
a C–V кривые SJ TiS2–MoS2 с тремя различными толщинами TiS2. b Значения CET (CET=3,9ε0/Caccum) как функция толщин TiS2.
Дополнительное примечание 2. CET менее 1 нм
Мы приписываем CET менее 1 нм эффективной связи затвор–канал в MESFET на монослое MoS2. CET менее 1 нм возникает из трёх конденсаторов, соединённых последовательно. Соотношение последовательных ёмкостей:
где Cg — общая ёмкость затвора, CvdW — ёмкость vdW-зазора, Cq — квантовая ёмкость канала монослоя MoS2, а Cdep — ёмкость обеднения Шоттки.
Здесь vdW-зазор является неизбежным последовательным элементом с низкой диэлектрической проницаемостью, внутренне присущим любому 2D-стеку, и доминирующим узким местом, ограничивающим CET. Cq монослоя MoS2 вносит малый вклад в общую ёмкость из-за атомарной толщины монослоя MoS2. Наиболее отличительная особенность MESFET — архитектура без оксида, которая устраняет влияние мёртвого слоя, внутренне присущий, и сохраняет интерфейс без оборванных связей с подавленным пиннингом, вызывая эффективную связь затвор–канал.
Дополнительное примечание 3. Извлечение плотности носителей и подвижности в полевом эффекте представленного прибора в основном тексте
Сначала мы извлекаем плотность носителей n канала MoS2 из C–V измерений. Для SJ n можно оценить по:
где C — ёмкость SJ, V — смещение, T — толщина канала, q — единичный заряд, A — площадь затвора, наложенного на канал, ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, εr — относительная диэлектрическая проницаемость канала, а n — плотность носителей канала в см-2
Из наклона кривой 1/C2–V, соответствующего члену -2T/qA2ε0εrn, мы можем получить n канала MoS2 около 5,2 × 1011 см-2, что согласуется с соответствующими сообщениями. Подробные результаты приведены в Дополнительном рис. 11a,b.
Подвижность в полевом эффекте (μ) MESFET определяется как μ=∂IDS/∂VGS·L/qnW, где n — плотность носителей канала в см-2, q — единичный заряд, а T, W и L — толщина, ширина и длина канала соответственно. Затем из передаточных кривых MESFET, изображённых на рис. 3c основного текста, и значения n мы получаем зависимые от VGS значения μ (Дополнительный рис. 11c). Когда проводящий канал постепенно открывается, подвижность в полевом эффекте растёт с напряжением затвора. Однако при более высоких VGS подвижность быстро падает из-за эффекта затвор–контакт, где контактное сопротивление доминирует в общем сопротивлении. Кроме того, усиленное рассеяние на 2D интерфейсе и эффект насыщения скорости при высоком смещении также могут вызывать деградацию подвижности.
Мы приписываем CET менее 1 нм эффективной связи затвор–канал в MESFET на монослое MoS2. CET менее 1 нм возникает из трёх конденсаторов, соединённых последовательно. Соотношение последовательных ёмкостей:
Cg-1= CvdW-1+ Cq-1 + Cdep-1
где Cg — общая ёмкость затвора, CvdW — ёмкость vdW-зазора, Cq — квантовая ёмкость канала монослоя MoS2, а Cdep — ёмкость обеднения Шоттки.
Здесь vdW-зазор является неизбежным последовательным элементом с низкой диэлектрической проницаемостью, внутренне присущим любому 2D-стеку, и доминирующим узким местом, ограничивающим CET. Cq монослоя MoS2 вносит малый вклад в общую ёмкость из-за атомарной толщины монослоя MoS2. Наиболее отличительная особенность MESFET — архитектура без оксида, которая устраняет влияние мёртвого слоя, внутренне присущий, и сохраняет интерфейс без оборванных связей с подавленным пиннингом, вызывая эффективную связь затвор–канал.
Дополнительное примечание 3. Извлечение плотности носителей и подвижности в полевом эффекте представленного прибора в основном тексте
Сначала мы извлекаем плотность носителей n канала MoS2 из C–V измерений. Для SJ n можно оценить по:
d(1/C2)/dV=-2T/qA2ε0εrn
где C — ёмкость SJ, V — смещение, T — толщина канала, q — единичный заряд, A — площадь затвора, наложенного на канал, ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, εr — относительная диэлектрическая проницаемость канала, а n — плотность носителей канала в см-2
Из наклона кривой 1/C2–V, соответствующего члену -2T/qA2ε0εrn, мы можем получить n канала MoS2 около 5,2 × 1011 см-2, что согласуется с соответствующими сообщениями. Подробные результаты приведены в Дополнительном рис. 11a,b.
Подвижность в полевом эффекте (μ) MESFET определяется как μ=∂IDS/∂VGS·L/qnW, где n — плотность носителей канала в см-2, q — единичный заряд, а T, W и L — толщина, ширина и длина канала соответственно. Затем из передаточных кривых MESFET, изображённых на рис. 3c основного текста, и значения n мы получаем зависимые от VGS значения μ (Дополнительный рис. 11c). Когда проводящий канал постепенно открывается, подвижность в полевом эффекте растёт с напряжением затвора. Однако при более высоких VGS подвижность быстро падает из-за эффекта затвор–контакт, где контактное сопротивление доминирует в общем сопротивлении. Кроме того, усиленное рассеяние на 2D интерфейсе и эффект насыщения скорости при высоком смещении также могут вызывать деградацию подвижности.
Дополнительный рис. 11. Извлечение плотности носителей и подвижности в полевом эффекте прибора в основном тексте.
a C–V кривая SJ TiS2–MoS2. b Кривая 1/C2–V SJ TiS2–MoS2. c Кривая μ–VGS при VDS= 1 В.
Дополнительный рис. 12. Гистерезис передаточных кривых изготовленного прибора. Передаточные кривые измерены при прямом и обратном сканировании VGS.
S5. Моделирование Sentaurus TCAD
Дополнительная таблица 3. Параметры Sentaurus TCAD.
Другие ключевые параметры:
•Концентрация легирования: 1018 см-3 для канала; 1021 см-3 для затвора/контакта
•Плотность интерфейсных ловушек: 6,5 × 1011 эВ-1см-2
•Скорость насыщения: 4 × 106 см с-1
•Толщина ван-дер-ваальсового зазора: 0,2 нм
S6. Воспроизводимость и сравнение
Дополнительная таблица 3. Параметры Sentaurus TCAD.
Материалы | Толщина (нм) | Относительнаядиэлектрическая проницаемость | Работавыхода / Сродство к электрону(эВ) | Шириназапрещённой зоны (эВ) |
TiS2 (затвор) | 5,20 | 14 | 5,5 | 0,01 |
MoS2 (канал) | 0,65 | 3,93 | 4,2 | 1,8 |
hBN (изолятор) | 5,94 | 6,7 | 1,14 | 5,7 |
Графен (контакт) | 10,56 | 3 | 4,6 | 0,01 |
Другие ключевые параметры:
•Концентрация легирования: 1018 см-3 для канала; 1021 см-3 для затвора/контакта
•Плотность интерфейсных ловушек: 6,5 × 1011 эВ-1см-2
•Скорость насыщения: 4 × 106 см с-1
•Толщина ван-дер-ваальсового зазора: 0,2 нм
S6. Воспроизводимость и сравнение
Дополнительный рис. 13. Передаточные кривые для других приборов.
Дополнительный рис. 14. Статистические результаты, включая отношение вкл/выкл, SSmin и рабочее напряжение, для изготовленных MESFET.
Дополнительная таблица 4. Сводка ключевых параметров MoS2 FET с короткими каналами.
Lch (nm) | On/Off Ratio | DIBL (mV/V) | SSmin(mV/Dec) | Operating Voltage (V) | Structure/Strategy |
8.5 | 6.3×107 | 33 | 62 | 0.5 | Vertical All-2D sidewall |
9.6 | 1.6×105 | 38 | 119 | 0.5 | Vertical All-2D sidewall |
8.5 | 1.8×105 | 89 | 79 | 0.5 | Vertical All-2D sidewall |
8.9 | 4.4×107 | 122 | 94 | 2 | Vertical All-2D sidewall |
7.5 | 3.8×107 | 71 | 76 | 0.7 | Vertical All-2D sidewall |
8.9 | 7.8×108 | 106 | 137 | 2 | Vertical All-2D sidewall |
8.9 | 3.3×107 | 41 | 66 | 0.5 | Vertical All-2D sidewall |
9.9 | 3.5×107 | 178 | 80 | 1 | Vertical All-2D sidewall |
9.0 | 2.1×108 | 30 | 72 | 1 | Vertical All-2D sidewall |
9.0 | 2.4×106 | 249 | 88 | 1 | Vertical All-2D sidewall |
8.7 | 4.9×108 | 66 | 71 | 1 | Vertical All-2D sidewall |
9.2 | 2.0×107 | 83 | 70 | 1 | Vertical All-2D sidewall |
7.6 | 1.6×108 | 167 | 66 | 1 | Vertical All-2D sidewall |
8.0 | 3.4×108 | 258 | 71 | 1 | Vertical All-2D sidewall |
8.5 | 2.6×107 | 129 | 86 | 1 | Vertical All-2D sidewall |
8.1 | 1.3×107 | 50 | 68 | 0.8 | Vertical All-2D sidewall |
50 | 107 | 23000 | / | 50 | Planar EBL |
50 | 3.5×107 | / | 73 | 4 | Planar EBL |
14 | 3.3×106 | / | 86.5 | 1.5 | Planar EBL |
50 | 109 | / | 75 | 5 | Planar EBL |
20 | 108 | / | 180 | 10 | Planar EBL |
10 | 108 | 23 | 78 | 1 | Planar EBL |
20 | 109 | 14 | 63 | 1 | Planar EBL |
30 | 108 | / | 113 | 4 | Planar EBL |
82 | 6×105 | / | 1200 | 20 | Planar Nanowire masking |
7.5 | 107 | 700 | 120 | 2 | Planar Self-assembly patterning |
8.2 | 106 | / | 140 | 2 | Planar Crack formation |
4 | 2.6×106 | 1030 | 208 | 2 | Planar Crack formation |
9 | 4.5×107 | 425 | 93 | 2 | Planar Crack formation |
7.5 | 106 | 140 | 120 | 2 | Planar Nanowire masking |
10 | 105 | 230 | 180 | 1 | Planar Shadow evaporation |
20 | 106 | / | 120 | 2 | Planar Shadow evaporation |
10 | 4.7×103 | 1020 | 521 | 3 | Planar Self- oxidization |
9 | 3×107 | 50 | 100 | 4 | Planar Selective etching |
100 | 108 | / | / | 60 | Planar Crack formation |
12 | 8×108 | 82 | 78 | 2 | Planar Shadow evaporation |
36 | 103 | / | 25000 | 60 | Vertical stack M- MoS2-M |
11 | 104 | / | 460 | 3 | Vertical stack M- MoS2-M |
19 | 105 | / | 1000 | 20 | Vertical stack M- MoS2-M |
3.3 | 105 | / | 5000 | 10 | Vertical stack M- MoS2-M |
29 | 105 | / | 3500 | 60 | Vertical stack M- MoS2-M |
5 | 105 | / | 20000 | 60 | Vertical stack M- MoS2-M |
3.6 | 758 | / | 27000 | 60 | Vertical stack M- MoS2-M |
0.65 | 26 | / | 70000 | 60 | Vertical stack M- MoS2-M |
2 | 104 | / | 25000 | 60 | Vertical stack M- MoS2-M |
3 | 400 | / | 17000 | 60 | Vertical stack M- MoS2-M |
10 | 105 | / | 120 | 1 | Vertical stack M- MoS2-M |
0.65 | 106 | / | 125 | 2.5 | Vertical stack M- MoS2-M |
12.6 | 107 | 5500 | 700 | 15 | Vertical-sidewall- stack |
8.7 | 107 | 100 | 73 | 1 | Vertical-sidewall- stack |
43 | 1.9×107 | 333 | 584 | 5 | Vertical-sidewall- stack |
Дополнительная таблица 5. Сводка ключевых параметров MoS2 FET с короткими контактами.
Lc (nm) | Lch (nm) | Ion (μA/μm @VDS = 1 V) | Contact Materials | Structure/Strategy |
12.7/13.5 | 8.5 | 144 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
9.9/12.5 | 9.6 | 79 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
5.8/8.1 | 8.5 | 9 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
17.0/17.8 | 8.9 | 114 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
15.0/17.3 | 7.5 | 176 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
17.4/19.3 | 8.9 | 163 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
7.7/9.4 | 8.9 | 73 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
12.9/13.9 | 9.9 | 136 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
12.0/13.2 | 9.0 | 78 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
13.1/15.4 | 9.0 | 137 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
9.2/10.8 | 8.7 | 73 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
11.0/11.4 | 9.2 | 7 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
14.6/15.0 | 7.6 | 128 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
8.9/10.2 | 8.0 | 32 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
7.8/9.5 | 8.5 | 36 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
12.6/14.0 | 8.1 | 143 | FLG | Vertical All-2D sidewall |
20 | 40 | 158 | Au | Planar EBL |
20 | 100 | 76.4 | Au | Planar EBL |
30 | 100 | 106 | Au | Planar EBL |
40 | 100 | 110 | Au | Planar EBL |
100 | 100 | 232 | Au | Planar EBL |
400 | 100 | 177 | Au | Planar EBL |
51 | 34 | 300 | Ni | Planar EBL |
13 | 29 | 58 | Ni | Planar EBL |
35 | 480 | 39 | Ni | Planar EBL |
40 | 480 | 39 | Ni | Planar EBL |
45 | 480 | 41 | Ni | Planar EBL |
65 | 480 | 32 | Ni | Planar EBL |
85 | 480 | 38 | Ni | Planar EBL |
105 | 480 | 41 | Ni | Planar EBL |
120 | 480 | 38 | Ni | Planar EBL |
30 | 30 | 265 | Au/Ti/Ni | Planar EBL |
40 | 30 | 337 | Au/Ti/Ni | Planar EBL |
50 | 30 | 337 | Au/Ti/Ni | Planar EBL |
100 | 30 | 319 | Au/Ti/Ni | Planar EBL |
500 | 30 | 310 | Au/Ti/Ni | Planar EBL |
1000 | 60 | 687 | Sb (0112) | Planar EBL |
60 | 60 | 664 | Sb (0112) | Planar EBL |
30 | 500 | 91 | Sb | Planar EBL |
40 | 500 | 87 | Sb | Planar EBL |
50 | 500 | 101 | Sb | Planar EBL |
60 | 500 | 104 | Sb | Planar EBL |
1000 | 35 | 840 | Bi | Planar EBL |
1000 | 120 | 390 | Bi | Planar EBL |
Автор: Сотрудник компании ООО "ТТМ" Михайлов А.