【產(chǎn)通社，9月22日訊】南京大學（Nanjing University）官網(wǎng)消息，黎松林副教授、施毅教授團隊近日在二維原子溝道晶體管的載流子散射機制方面取得重要進展。團隊針對溝道厚度極端微縮條件建模，從玻爾茲曼輸運方程出發(fā)，全面分析了溝道維度轉變過程中，散射矩陣元、器件形狀因子和二維極化函數(shù)等關鍵散射因素隨溝道厚度的變化規(guī)律；厘清了溝道載流子與晶格聲子、原子缺陷、界面庫侖雜質、介質遠程聲子等因素的相互作用關系、散射幾率與器件電學性能。

半導體行業(yè)多年來遵從摩爾定律，采用逐代縮短晶體管溝道的方法使芯片的集成度和性能不斷提高。目前摩爾定律已逼近硅材料的物理極限，通過簡單的制程換代來縮短溝道也日趨困難。主流的5納米節(jié)點的鰭式晶體管（FinFET）實際溝道長度已經(jīng)縮減至15納米。理論預言，由于短溝道效應限制，硅基晶體管的實際溝道長度極限約為12納米。為持續(xù)提高芯片性能，基于低維半導體等先進材料的后摩爾電子器件也正在研發(fā)中。 

近年來，以過渡金屬硫族化合物（如MoS2）等為代表的二維原子晶體受到了廣泛關注。從結構上來講，二維原子晶體同時擁有零厚度漲落和原子級厚度兩大優(yōu)點，能有效避免硅基器件中由于“溝道厚度漲落散射”引起的遷移率急劇衰退問題。按照簡單的三倍長厚比的經(jīng)驗原則，在有效規(guī)避短溝道效應前提下，二維晶體管的溝道長度可低至3納米，因而具備構筑極限微縮長度溝道晶體管的潛力，有望成為后摩爾時代的下一代半導體材料。

然而，在溝道厚度微縮極限條件下，很多非本征的器件因素限制了二維晶體管電學性能。其中，位于半導體溝道與柵介質界面處的庫侖雜質散射，是最為重要的載流子散射機制之一。因此充分理解二維晶體管中的庫侖屏蔽效應和載流子散射機制具有重要的技術價值。在實際器件模型中，界面庫侖雜質散射受諸多器件參數(shù)影響，包括溝道厚度、半導體和柵介質的相對介電常數(shù)、界面庫侖雜質密度、器件形狀因子、量子屏蔽效應等。目前，對于二維晶體管中各參數(shù)對界面庫侖雜質的屏蔽效應的影響規(guī)律、以及載流子散射的嚴格理論計算等相關研究工作仍然不夠深入。

基于此，南京大學電子科學與工程學院黎松林副教授/施毅教授團隊基于一種獨特的具有不對稱界面庫侖雜質濃度的雙柵晶體管結構，利用柵控模式切換（頂柵或底柵模式）和溝道厚度變化（從1到5層，即2D至3D維度轉變）等途徑，來調(diào)控各種庫侖散射參數(shù)，并總結其變化規(guī)律。

理論計算表明，通過切換柵控模式可控制溝道內(nèi)載流子的重新分布，從而可導致界面庫侖雜質與溝道載流子的平均作用距離以及散射強度的顯著變化。此外，溝道維度變化也造成溝道介電常數(shù)和屏蔽特性的變化。系統(tǒng)的變溫電學測量顯示，5層MoS2的低溫遷移率在柵控切換時會產(chǎn)生2.6倍的變化，主要與底柵和頂柵模式切換時散射距離的改變有關；理論計算也與實驗結果相符合。與之相對地，當MoS2溝道維度減薄至1層時，由于溝道自身的原子級厚度限制，散射距離受控模式切換影響較小，因而庫侖雜質散射強度基本不變；同時由于散射距離降低，整體遷移率數(shù)值也較5層溝道顯著降低。

研究還發(fā)現(xiàn)，由于對界面庫侖雜質散射屏蔽的變化，器件遷移率隨溝道的介電常數(shù)（隨厚度變化）增大而減小�？紤]溝道介電常數(shù)在溝道維度變化時的實際介電常數(shù)值后，器件遷移率的修正最大可達40%，這一維度轉變造成的精細庫侖屏蔽效應變化行為一直為人們所忽略。

總之，通過調(diào)節(jié)界面雜質濃度、散射作用距離和溝道介電常數(shù)等庫侖散射相關因素，從理論和試驗上深入研究了不同厚度和柵控工作模式下，二維溝道晶體管電學性能的變化規(guī)律。研究結果對深入理解原子厚度溝道晶體管中的庫侖屏蔽和載流子散射機制，以及開發(fā)高性能后摩爾電子器件具有重要的參考價值。

該工作近日以《Coulomb screening and scattering in atomically thin transistors across dimensional crossover》為題，發(fā)表在南京大學學科卓越期刊《納米快報》上（Nano Letters, 22, 6671, 2022）。我校電子學院博士生居仕豪是該論文的第一作者，黎松林副教授為論文的通訊作者，施毅教授和潘丹峰工程師也參與了該工作。該研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發(fā)計劃的資助，同時得到南京大學電子學院微制造與集成工藝中心的支持。

查詢進一步信息，請訪問官方網(wǎng)站http://news.nju.edu.cn/xsdt/20220914/i110123.html。（張嘉汐，產(chǎn)通發(fā)布）    （完）