晶圆级二维金属硫化物薄膜生长机制、缺陷调控及晶体管性能研究

This project is aiming to solve the key technology problems for the fabrication of non-silicon semiconductor materials in a wafer level, which is very important for the development of integrated circuit in the More Moore era. The transition metal two-dimensional sulfide (MS2) ultrathin films is selected as the main research contents, including growth mechanism, defect control and prototype device fabrications. The project uses the atomic layer deposition (ALD) technique to fabricate the two-dimensional MS2 films. The surface reaction mechanisms of ALD MS2 thin film will be first studied using first principle theory and molecular dynamics. The substrate surface pretreatment technologies will be then proposed to prepare the large area, uniform two-dimensional MS2 films. The dependencies between ALD MS2 film and the growth parameters will be established after the process optimization. Moreover, the high temperature annealing treatments and chemical method will be used to reduce the defects of the ALD MS2. The key technologies for the preparation of one or few layers wafer level MS2 crystal thin films will be mastered after the process development. Based on the simulation of the controllable preparation of two-dimensional MS2 thin film, a prototype transistor with high mobility and large switching ratio is expected to be fabricated. The implementation of the project will help to solve the problems of wafer level 2D MS2 preparation. It will lay the foundation for the large-scale integration of 2D MS2 thin film logic devices in the future.

本项目以后摩尔时代集成电路发展的国家需求为牵引，瞄准先进微电子器件中非硅材料晶圆级制备技术难题，以性能优越的二维过渡金属硫化物(MS2)超薄膜晶圆级制备为主要研究内容，展开从生长机理、缺陷控制到原型器件制备的完整链条研究。项目采用原子层沉积(ALD)技术来制备二维MS2薄膜，首先运用第一性原理和分子动力学研究ALD生长MS2薄膜的表面反应机制；并采用衬底表面预处理技术改善ALD制备大面积、均匀的二维MS2薄膜能力，建立ALD 生长MS2薄膜质量与工艺参数之间的依赖关系；接着提出采用高温退火与化学气氛法成膜后处理工艺减少薄膜缺陷，以便掌握制备晶圆级的单层或少层MS2晶体的关键工艺技术。在实现二维MS2薄膜可控制备和器件性能仿真的基础上，制备出具有高迁移率、大开关比的场效应晶体管原型器件。项目的实施将有助于解决二维材料晶圆级制备难题，为将来基于MS2超薄膜的逻辑器件大规模集成奠定基础。

本项目计划以后摩尔时代集成电路发展的国家需求为牵引，瞄准先进微电子器件中非硅材料晶圆级制备技术难题，以性能优越的二维过渡金属硫化物(MS2)超薄膜制备为主要研究内容，结合用原子层沉积（ALD）技术，通过生长机理的理论分析，深入探索其本征的物理、化学及电学特性，并通过各种衬底表面预处理和成膜后处理技术，来实现大面积规则、平坦、超薄的过渡金属二硫化物MS2晶体薄膜的可控制备，并制成具有逻辑应用的高性能MS2晶体管原型器件，具有非常重要的理论和现实意义价值。1）实验证明了具有ALD生长的HfO2/Hf1-xAlxO叠层栅介质的背栅MoS2场效应晶体管具有优异的电学和光电特性，叠层栅介质能在MoS2沟道上表现出具有吸引力的静电控制能力。具有HfO2/Hf1-xAlxO叠层栅介质的背栅MoS2光电晶体管展现了超高的光响应度，表明具有叠层栅介质HfO2/Hf1-xAlxO的MoS2场效应晶体管能够被应用于高性能光电探测器中。2）采用原子层沉积的HfO2作为顶栅（TG）电介质，制备并研究了具有超高电性能和光学响应性的非对称双栅（DG）MoS2场效应晶体管（FET）。MoS2 FET的有效DG调制表现出优异的电气性能，具有6×108的高开/关电流比。此外，在DG-MoS2光电晶体管中，可以获得从−20.5到−39.3 V的大阈值电压调制。3）结合一维（1D）Te纳米线和二维（2D）ReS2纳米片两种不同维度半导体材料的优势，构筑了1D-Te纳米线和2D-ReS2异质结构的高性能双通道光电晶体管。与单独的2D-ReS2纳米片相比，1D-Te/2D-ReS2异质结在光吸收方面表现出显著的改善，电子−空穴对浓度增加，电子-空穴对在电子注入和分离效率方面得到了很大的提高。4）利用ALD生长HfO2作为局部背栅介质的ReS2/ReSe2范德华异质结光电晶体管具有优异的电学特性和光电特性，整流比高达∼103。与类二极管异质结器件不同，在该晶体管中创新引入局部背栅极提供了出色的栅极可调谐能力，具有433 fA的超低关断状态电流和超过106的高开/关断电流比，归因于II型异质结的能带对准和局部背栅对暗电流的抑制。