北大彭练矛院士、邱晨光团队最新Nature Electronics: 基于二维晶圆的钇掺杂相变欧姆接触工程

研究背景

传统硅基技术在亚3 nm节点接近其物理极限，亟需新的半导体材料来实现集成电路的进一步缩放。二维半导体凭借其原子级超薄结构和高迁移率优势，能够在超短沟道晶体管中实现优异的静电控制和开态特性，被视为亚1 nm技术节点芯片的潜力材料，受到全球领先半导体企业和研究机构（如英特尔、台积电、三星和欧洲微电子中心）的高度关注。然而，二维晶体管面临严重的金属-半导体接触费米能级钉扎效应，这极大的制约了器件的性能。因此，如何实现二维半导体和金属电极的欧姆接触是制备高性能弹道晶体管的关键因素。此外，目前国际上展示的高性能二维晶体管多基于机械剥离或厘米级的二维单晶，如何基于晶圆级二维半导体实现高性能晶体管的规模化制备，是推动二维电子学从实验室走向工业应用（Lab-to-Fab）的核心挑战。

研究成果

近期，北京大学电子学院彭练矛院士-邱晨光研究员课题组在二维半导体集成工艺方面提出了“稀土钇元素诱导相变理论”，并发明了“原子级精准选区掺杂技术”，突破了传统离子注入掺杂结深无法小于5纳米的工程限制，首次将源漏选区的掺杂深度推进到单原子层0.5纳米极限，并基于二维半导体晶圆制备出规模化的超短沟道弹道晶体管，实现了理想的欧姆接触和开关特性，有潜力构建未来更高性能、更低功耗的亚1纳米技术节点芯片。相关研究成果以“Yttruim-doping-induced metallization of molybdenum disulfide for ohmic contacts in two-dimensional transistors”为题，2024年5月27日在线发表于《自然·电子学》（Nature Electronics，网页链接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01176-2）。姜建峰博士与徐琳博士为共同第一作者，邱晨光研究员和彭练矛院士为共同通讯作者，北京大学电子学院为通讯单位。论文合作者为中科院物理所张广宇研究员与杜罗军研究员。

技术革新

本研究工作实现了以下四方面技术革新：

1.开创性地提出了“稀土元素诱导二维金属化理论”。该技术通过钇原子掺杂诱导的方式，将接触区域的二维半导体转变为二维金属。并以此二维金属作为金属与半导体之间的缓冲层，抑制了界面处的费米钉扎效应，该缓冲层作为“桥梁”，有效地提高了载流子从金属到半导体的传输效率。钇原子掺杂有效调控了二维金属的费米能级的位置，以实现理想的能带对齐和器件的欧姆接触，克服了本征二维相变固有肖特基势垒的科学挑战。

2.发明了“原子级可控精准掺杂技术”。设计了超低功率软等离子体-固态源活性金属沉积-真空退火的三步法原子级掺杂工艺，有效地将固态源掺杂剂钇原子扩散注入进精细图案化的二维接触区域表面，这种新型的接触掺杂策略可以兼容于1 nm技术节点的光刻工艺。

3.在晶圆级二维半导体中实现了理想的欧姆接触。将接触电阻推进至量子理论极限，器件总电阻低至235 Ω·μm，统计的传输线法（TLM）平均接触电阻仅为69±13 Ω·μm，满足国际半导体技术路线图对集成电路未来节点晶体管电阻的要求。

4.在大规模超短沟道的二维晶体管阵列中展示出卓越的综合电学特性。展示出理想的开关行为，并能有效地抑制短沟道效应，四个量级电流范围内的平均亚阈值摆幅SS为67 mV/Dec；平均开态电流密度高达0.84 mA/μm；最大跨导提升至3.2 mS/μm，比其他同类二维TMDs器件提高近一个数量级。

这项工作从物理机制上阐明了稀土元素钇掺杂相变技术的底层过程，并展示了晶圆级大规模制备高性能二维晶体管的可行性，器件的关键电子学参数满足先进节点集成电路的要求，有力地证明了二维半导体在未来节点集成电路应用的性能潜力，为推动二维电子学从实验室走向工业界（Lab-to-Fab）提供了重要的理论参考和实验依据。

图1 Nature Electronics官网论文截图

图2 单原子层掺杂诱导二维金属化欧姆接触技术的理论图解

图3 原子级掺杂诱导二维金属化的系统表征

图4 双栅10 nm超短沟道二维晶体管的器件结构和欧姆接触表征

图5 在大规模制备的超短沟道二维晶体管阵列中展示出卓越的综合电学特性

团队介绍：

彭练矛教授

中国科学院院士，北京大学电子学院院长。1994年获首批国家杰出青年科学基金资助，1999年入选首届教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。长期从事碳基电子学领域的研究，做出一系列基础性和开拓性贡献。四次担任国家“973计划”、重大科学研究计划和重点研发计划项目首席科学家。在《科学》《自然》等期刊发表SCI论文400余篇。相关成果获国家自然科学二等奖（2010和2016年）、高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学一等奖（2013年）、北京市科学技术一等奖（2004年），入选中国科学十大进展（2011年）、中国高等学校十大滚球体育 进展（2000和2017年）、中国十大滚球体育 进展新闻（2000和2023年）。个人获何梁何利基金科学与技术进步奖（2018年）、全国创新争先奖（2017年）、推动“北京创造”的十大滚球体育 人物（2015年）、全国优秀博士学位论文指导教师（2009年）、北京大学首届十佳导师（2013年）等荣誉。

邱晨光研究员

北京大学电子学院研究员，“博雅青年学者”。 国家基金委“优青”、国家重点研发计划青年首席科学家、K*W 1*3 J*JQ 首席科学家、青橙奖获得者、中国十大新锐滚球体育 人物。面向未来集成电路应用，从事纳米电子器件方面研究，提出并实现了一系列器件底层新机理、新结构和新工艺。在Nature, Science, Nature Electronics, Nature Nanotechnology, ACS Nano, Nano Letters, AFM,IEDM等顶级国际期刊和会议上发表论文；以第一作者和通讯作者发表Science两篇， Nature一篇。《5纳米栅长碳纳米管晶体管，Science》实现世界上最小尺寸的碳管晶体管，被TSMC列为后摩尔技术代表性突破性进展。入选ESI高被引用论文和热点论文，入选2017年“中国高校十大滚球体育 进展”，“中国重大科学、技术和工程进展”，“中国100篇国际高影响论文”。《狄拉克冷源晶体管，Science》首次在国际上提出并实现冷源亚60超低功耗新器件机制，拓宽了超低功耗器件领域范围，入选2018年“全国科创中心重大标志性原创成果”。《弹道InSe晶体管，Nature》首次将二维晶体管的性能推进超过业界Intel 硅基Fin晶体管，且性能超过IRDS预测的硅基极限，被国际同行评价为世界上弹道率最高、速度最快、功耗最低的二维晶体管，入选2023年“中国十大滚球体育 进展新闻”，“中国重大科学、技术和工程进展”，“中国半导体十大研究进展”。相关工作被人民日报（海外版）、中国科学报、光明日报和中科院网站等报道。

姜建峰博士

2024年于北京大学取得理学博士学位，师从彭练矛院士与邱晨光研究员，于六月起任麻省理工学院博士后研究员。面向集成电路芯片应用，致力于开发超越硅基极限的后摩尔新型二维电子技术，取得一系列具有高度原创性的研究成果，获评2023年度“中国十大滚球体育 进展新闻”、“中国半导体十大研究进展”、“中国重大科学、技术、工程进展”。以第一作者身份在国际顶级学术期刊Nature、Nature Electronics发表相关研究成果，九篇一作论文累计影响因子超过200，入选ESI全球高被引论文和热点论文（0.1%），公开国家发明专利十项和著作章节一篇。个人曾获北京大学“学生五·四奖章”（北大学生最高荣誉），国家奖学金、北京大学校长奖学金、北京大学学术创新奖、北京大学电子学院首届学术十杰（Top 1）、北京大学优秀科研奖等荣誉。

徐琳博士

加州大学圣芭芭拉分校博士后研究员，2020年于北京大学信息科学技术学院取得理学博士学位。从事后摩尔未来节点纳米器件结构和物理研究。在Nature，Science，Nature Electronics，Nature Communication，Science Advance，IEEE Transactions on Electron Device，Applied Physics Letters，IEDM等杂志和会议上发表学术成果四十余篇。系统研究了低维材料器件的建模方法，包括紧凑模型、TCAD数值模拟及基于密度泛函的第一性原理计算。