突破二维晶体管瓶颈：一氧化氮掺杂解锁高性能 p 型 WSe2晶体管新路径

为解决二维过渡金属二硫族化合物（2D TMDs）晶体管接触电阻高、p 型性能差等问题，研究人员开展一氧化氮（NO）掺杂在高性能 p 型 WSe2晶体管中应用的研究。结果表明 NO 掺杂可优化器件性能，这为推进下一代超大规模电子器件发展提供了新方向。

　　在电子器件不断追求更小尺寸、更高性能的征程中，硅基金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（MOSFETs）逐渐遭遇瓶颈。随着栅极长度逼近 10 纳米左右，短沟道效应（SCEs）开始兴风作浪，源漏隧穿、漏致势垒降低（DIBL）以及静电栅控能力减弱等问题接踵而至，严重影响了硅基 MOSFETs 的性能。此时，二维过渡金属二硫族化合物（2D TMDs）凭借其原子级厚度和自钝化表面等优势，成为了超越硅基电子器件的潜力新星，有望在超大规模场效应晶体管（FETs）领域大展身手。

然而，2D TMDs 晶体管的发展并非一帆风顺。金属诱导能隙态（MIGS）、缺陷诱导能隙态（DIGS）以及栅极电介质引入的陷阱电荷，使得费米能级被牢牢钉扎，进而在源漏与沟道之间形成了高电阻的肖特基势垒（SBs）。这一障碍极大地限制了 2D TMDs 器件性能的发挥，尤其是 p 型单层 TMD 晶体管，其导通电流密度（ION）和亚阈值摆幅（SS）与 n 型晶体管相比，存在明显差距，并且实现最佳的开态和关态性能的同时优化更是困难重重。

为了攻克这些难题，来自普渡大学（Purdue University）等机构的研究人员展开了深入研究。他们聚焦于一氧化氮（NO）掺杂在高性能 p 型 WSe₂晶体管中的应用，旨在探索出一条提升二维晶体管性能的新路径。最终，他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域带来了新的曙光。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。利用密度泛函理论（DFT）模拟，从理论层面探究 NO 掺杂对 1L - WSe₂电子能带结构的影响；借助扫描隧道显微镜（STM）测量硒空位（VSe）密度；采用 X 射线光电子能谱（XPS）分析 NO 处理下 1L - WSe₂薄膜的表面化学变化；通过拉曼光谱评估掺杂温度对 WSe₂结晶度的影响；运用传输长度法（TLM）制作器件，研究 NO 掺杂对电学特性和电流注入的影响 。

研究结果主要包含以下几个方面：

• NO 掺杂机制：DFT 模拟显示，硒空位（VSe）在价带边缘产生局域态，NO 分子与VSe位点结合后，会在带隙中间诱导出掺杂带，使费米能级下移靠近价带，实现 p 型掺杂。XPS 分析表明，NO 处理会使 WSe₂的 W 和 Se 化学状态发生变化，不同温度下退火处理后的光谱特征揭示了掺杂机制。拉曼光谱显示，在 150°C 以下处理，WSe₂薄膜仍能保持良好结晶度，200°C 处理后强度下降，表明部分氧化和结晶度损失，但总体结构未受太大影响。
• 单极传输和肖特基势垒重新对齐：NO 掺杂使得费米能级向价带移动，从而导致空穴分支的阈值电压正向移动，肖特基势垒重新对齐，实现 p 型单极传输。研究人员通过对比 NO 掺杂前后 1L - WSe₂器件的特性，发现 NO 掺杂使空穴电流分支的阈值电压移动约 0.8V，在最大栅极电压为 - 4V 时，开态电流增强 10 倍，同时电子分支的阈值电压正向移动，关态范围变宽。
• NO 掺杂 1L - WSe₂ p - FETs 的电学特性：制作的 NO 掺杂 1L - WSe₂ p - FETs 展现出优异的电学性能。在VDS = - 1V 和VOV = - 0.8V 时，开态电流可达 300 μA/μm，接触电阻低至 875 Ω?μm ，跨导高达 400 μS/μm，亚阈值摆幅低至 70mV/dec，同时保持大于109的开 / 关比。
• NO 掺杂 1L - WSe₂ FETs 的可变性和稳定性：研究人员对不同沟道长度的 228 个 FETs 进行统计分析，评估 NO 掺杂在 1L - WSe₂器件中的可变性。结果显示，随着沟道长度缩放，部分器件指标的可变性略有变化，如在较短沟道长度下，亚阈值摆幅略有下降。同时，NO 掺杂的 1L - WSe₂ p - FETs 在 24 天内表现出良好的稳定性，阈值电压、亚阈值摆幅和最大跨导等指标变化极小。
• 高性能 NO 掺杂 2L - WSe₂ FETs：研究人员制备了双层 WSe₂（2L - WSe₂）晶体管，NO 掺杂后，器件的导通电流大幅提升，在VDS = - 1V 和VOV = - 1.25V 时，导通电流可达 448 μA/μm ，接触电阻可低至 390 Ω?μm ，在二维 p 型晶体管中处于较低水平。

在研究结论和讨论部分，研究人员通过与其他二维 TMD p 型晶体管的对比发现，他们制备的 NO 掺杂 WSe₂晶体管在多个性能指标上表现出色，能够在较小的栅极电压窗口内实现较高的导通电流，同时保持较低的亚阈值摆幅和接触电阻。不过，要想充分发挥单层或双层 WSe₂作为超大规模 p - FETs 沟道材料的潜力，还需进一步优化栅极电介质堆栈以减少电荷捕获，探索混合掺杂策略提高载流子密度，以及进行接触界面工程降低源漏隧穿势垒的影响。此外，提升 NO 掺杂效果的长期和热稳定性也是未来研究的重要方向。

总的来说，这项研究揭示了 NO 在 WSe₂晶体管中的掺杂机制，展示了其在提升二维 p 型晶体管性能方面的显著效果，为实现高性能二维晶体管和推动下一代超大规模电子器件的发展奠定了坚实基础，在二维材料电子学领域具有重要的理论和实践意义。