过渡金属硫化物场效应晶体管的表面、界面及其应力退化特性

Metal oxide semiconductor field effect transistor (MOS device) is the main device unit for the present day’s integrated circuit (IC). More than half century, the miniaturization of the MOS devices continuously drives the development of the IC. In 2004, the introduction of two dimensional materials graphene provides a new opportunity for the further scaling of the MOS devices. After that, it is found that MoS2, a typical transition metal dichalcogenide (TMDC), has atomic layer thickness, flat surface, wide band gap, and high carrier mobility, and has potential applications in microelectronics, flexible electronics, optoelectronics, and sensors. At this time, there are at least two major obstacles for the application of the TMDCs to IC. One is the growth of high quality, large area, thickness controllable materials. The other is the fluctuation and the degradation of the device characteristics. This project focus on the second problem and investigates (1) the surface, interface, and their stress induced degradation in TMDC MOS devices, (2) the improvement of the surface, interface, and device quality, and (3) the new surface and interface phenomena and their possible device applications. The results of the project are expected to enhance our understanding on the surface and interface and their stress induced degradation, and improve the device quality and the reliability for the applications of TMDC devices.

金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS器件)是构成集成电路(IC)的主要器件单元。半个多世纪以来，MOS器件的小型化持续推动着IC的发展。2004年，二维材料石墨烯的引入给MOS器件的小型化注入新的动力。然后，发现以MoS2为代表的过渡金属硫化物(TMDC)，以其超薄、平整表面、宽带隙、高迁移率等特性，在微电子、柔性电子、光电子和传感等方面有重要应用前景。目前，在通往IC应用的路途中，TMDC-MOS器件至少面临两大关键问题：TMDC材料的优质、大面积、可控生长和器件特性的起伏和退化。本项目将针对上述第二个问题，研究（1）TMDC-MOS器件结构中的表面、界面及其应力退化特性，（2）表面、界面的改性和器件特性的改进，（3）与表面、界面相关的新现象、新特性及其器件应用探索。预期研究结果将有助于更好地了解TMDC-MOS器件的表面、界面及其应力退化特性，改进器件的性能和可靠性，促进器件的应用。

根据申请书和计划书，本项目开展了过渡金属硫化物（TMDC）场效应晶体管（MOSFET）的表面、界面及其应力退化特性研究。主要结果有：（1）对于TMDC沟道裸露在大气中的背栅器件，其表面效应主要来源于大气分子在沟道表面的吸附。对于沟道表面处于真空或者有介质覆盖的器件，其表面、界面影响主要来自沟道/背栅介质的界面。除此之外，沟道和源、漏电极的接触界面，也对器件特性有重要影响。（2）对表面裸露的多层MoS2和WSe2沟道，其大气分子吸附效应可以用单一的表面陷阱来描述。对n型器件，在制备、结构、尺寸和偏压条件类似的条件下，与MoS2器件比较，WSe2器件对表面大气吸附要敏感的多。这一敏感性不仅来源于较高的等效表面陷阱密度，也来自于较深的陷阱能级和较短的时间常数。（3）对沟道表面处于真空或者有介质覆盖的背栅器件，其电学特性的不稳定性主要来自沟道/背栅介质界面。这一界面效应，同样可用单一陷阱来描述。对手工剥离转移方法制备在Al2O3上的多层n-MoS2和WSe2沟道，两者的界面陷阱密度相似，都在1012cm-2以上。但与MoS2器件比较，WSe2器件的界面陷阱能级较深，时间常数较短，对器件的影响更大。（4）对CVD生长在SiO2上的单层MoS2沟道MOSFET，其SiO2/MoS2界面，与上述Al2O3/MoS2界面相比，没有明显改善。特别对于CVD制备的连续单层多晶沟道，表面介质覆盖对器件特性的改善不大，表明除了表面和界面效应，沟道中的晶界和其它缺陷对这一器件的影响可能更为严重。（5）除了上述表面和界面效应，沟道与源、漏电极的接触界面对器件的电学特性也有重要影响。这一接触不仅会改变这一器件的IV特性，也会影响器件的低频噪声特性，特别是对短沟道器件。（6）器件中的高界面陷阱密度，造成器件特性的不稳定性。单一陷阱模型表明，界面陷阱可能是由某一特定起源主导，一旦去除这一起源，陷阱密度就能大幅减少。与之相比，连续单层沟道中存在的晶界和其它缺陷，是一个更加严重的问题。对单层MoS2而言，多晶沟道器件的电学不稳定性，比单晶沟道要严重的多。