二维材料晶体管中载流子转移长度的直接探测

《Nature》：Directly probing the carrier transfer length in 2D-material transistors

　　

基于二维材料的晶体管已被列入超越1 nm逻辑技术节点的路线图，这源于其超薄厚度和无缺陷表面，赋予了卓越的静电栅极控制能力。二维晶体管的物理沟道长度可能最终达到小于10 nm，适用于先进节点器件。然而，由于尚缺乏直接探测接触区域载流子注入区的技术手段，金属接触同样重要的缩放极限仍未可知。本研究中，研究人员利用横截面扫描隧道显微技术，直接测得铋接触单层二硫化钼晶体管接触区域的载流子转移长度约为2.0 nm。该方法使接触缩放约束得以确定，为未来超缩放电子器件的发展提供了信息。

**研究背景与问题提出**

随着人工智能计算需求的日益增长以及数据中心和移动设备对性能要求的不断提高，制造高密度、高性能且节能的晶体管已成为当务之急。数十年来，硅的缩放遵循摩尔定律，但目前已逼近其物理极限。在后硅时代沟道材料的候选方案中，二维材料成为晶体管持续缩放的基石，具有低功耗的潜在优势。这种小型化主要取决于沟道和接触的缩放，这不仅涉及缩短沟道长度，还包括缩减金属接触的尺寸——而金属接触正是电流注入的关键通道。然而，缩小接触尺寸往往会导致性能受限的接触电阻，这构成了显著挑战。尽管已有大量研究工作致力于理解超薄二维材料的缩放极限，特别是针对超越1 nm技术节点的单层二维材料晶体管的沟道缩放，但同等重要的金属接触缩放却鲜受关注。对于二维材料基场效应晶体管而言，这尤其构成严峻挑战，因为在纳米尺度接触处的电流拥挤效应预计会十分显著。虽有众多研究组尝试通过修改接触材料或采用界面工程技术来缓解高接触电阻问题，但接触尺寸的缩减任务仍有待探索。其固有挑战之一在于转移长度（transfer length, LT）的确定，即金属接触与二维材料之间有效电流注入区域的长度，它对应于接触尺寸缩放的极限。

**研究开展与核心发现**

研究人员采用原位操作的横截面扫描隧道显微技术（cross-sectional scanning tunnelling microscopy and spectroscopy, XSTM/S），以亚纳米空间分辨能力，在施加源漏电压的条件下，直接测量金属-二维接触界面的电流注入长度。研究选取铋接触的单层二硫化钼（monolayer MoS?, ML-MoS?）作为对象，原因在于半金属铋已被证实与MoS?形成几乎无势垒、具有极低接触电阻的接触，在超缩放接触尺寸方面具有巨大潜力。相较于二维少层材料，单层材料因其极限薄厚度可实现理想的栅极可控性，被认为更适合先进缩放。

研究人员首先通过化学气相沉积法（chemical vapour deposition, CVD）制备MoS?，并制备了具有不同沟道长度的背栅MoS?场效应晶体管（field-effect transistor, FET），采用转移长度法（transfer length method, TLM）表征接触电阻。实验测得_BOTTOMCONTACT_的接触电阻R_c低至约70 Ω·μm（载流子浓度为6.8×10¹² cm^?2），最小转移长度约为9.25 nm。然而，这一方法仍依赖于外推和理论模型假设。

为实现直接测量，研究人员开发了器件操作状态下的XSTM技术。具体而言，将ML-MoS?晶体管在超高真空腔体中通过机械力解理，避免环境污染和分子吸附影响电子结构表征；同时在解理后的晶体管 jointly 施加源漏电压V_DS和栅极电压V_G，以研究偏置条件下的载流子输运行为。通过大范围XSTM扫描定位MoS?层，随后切换至沿MoS?薄膜平行方向扫描直至越过铋-MoS?接触边缘（contact edge, C.E.）。利用扫描隧道谱学（scanning tunnelling spectroscopy, STS）在特定位置进行测量，可清晰分辨MoS?的谱学特征，其空间分辨率可达0.4 nm。

**关键技术方法**

本研究的核心技术方法包括：第一，原位操作XSTM/STS测量技术，在超高真空环境中对解理的晶体管器件施加偏压进行亚纳米分辨的电子结构探测；第二，基于尖诱导能带弯曲（tip-induced band bending, TIBB）模型的载流子浓度模拟分析方法，通过比较模拟与实验结果推断载流子浓度变化；第三，指数衰减拟合方法，将传统TLM模型中1/e衰减长度的定义应用于CB边能量位移的定量分析；第四，横截面扫描透射电子显微镜（high-resolution cross-sectional transmission electron microscopy, HR-XTEM）及能量色散X射线谱学（energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDX）的元素分布表征辅助确认MoS?位置。

**研究结果**

**"ML-MoS? FET及其电学特性"**：研究人员制备了具有不同沟道长度的Bi接触ML-MoS? FETs，输出特性曲线显示I_DS与V_DS呈线性关系，α值约为1.00，证实欧姆接触行为；转移曲线表现为标准n型导通特性，开关比大于10⁶。通过TLM提取的接触电阻R_c约为70 Ω·μm，外推转移长度约为9.25 nm。

**"Bi/MoS?界面附近的XSTM测量"**：研究人员展示了器件结构示意图、超高真空解理过程以及XSTM探测配置。在大面积形貌图中可观察到从Bi接触、HfO?介质层到Si衬底的整体解理表面；高分辨形貌图通过一阶导数计算提取了Bi接触与MoS?单层的轮廓；dI/dV图与HR-XTEM及EDX元素分布图相互印证，确认了MoS?单层的精确位置。

**"不同工作条件和区域下MoS?器件的STS测量与能带边缘演化"**：研究人员系统开展了操作状态下STS线扫描。对于SiO?基器件，在V_DS=0 V时，MoS?导带（conduction band, CB）边能量在整个测量区域保持一致（0.82±0.02 eV）；施加V_DS=?0.5 V后，CB边呈现位置相关的偏移。关键发现包括：在距离接触边缘6 nm及以上区域，CB边达到饱和稳定值ΔE^V_DS；而在0–6 nm的近接触边缘区域，存在额外的能带偏移ΔE_edge，导致更显著的总能量偏移ΔE_C。该额外偏移无法由电压降解释（接触电阻占总电阻不足1%），而是归因于接触边缘处载流子注入导致的载流子浓度增加，从而引起TIBB效应减弱、CB边能量位移。在源极区域，近接触边缘点（<6 nm）同样观察到额外电压降ΔE_edge，而超过6 nm区域则与V_DS=0 V时的CB值一致。固定V_DS=?0.5 V改变栅压的实验表明，源漏区域的能带弯曲幅度和空间范围随栅压增加而系统性变化。

**"通过能带边拟合分析转移长度及不同条件下的比较"**：研究人员按照TLM模型中1/e衰减长度的定义，对CB数据点进行指数衰减拟合。对于SiO?器件，在V_DS=?0.5 V、V_G=0 V条件下测得转移长度为2.0 nm；当V_G=2 V时延伸为2.9 nm。通过TIBB模拟提取载流子浓度变化，推断接触边缘处注入的载流子浓度比距离接触边缘>2 nm区域高约两个数量级。研究还发现，栅压增加时转移长度更长，这可能源于更多载流子通过所需的电流拥挤效应。此外，通过将实测2.0 nm的转移长度代入修正TLM方程，确定金属接触下方MoS?的薄层电阻R_sk为380 kΩ，远大于原始沟道薄层电阻R_sh（81.6 kΩ），揭示了金属接触对下方二维材料电导率的显著影响。

**"方法论的普适性验证"**：研究人员进一步对采用HfO?介电层的Bi接触MoS?器件以及Pd/Sb合金接触的p型WSe?器件进行了XSTM测量。p型WSe?的价带（valence band, VB）在施加V_DS后显著向费米能级位移，与TIBB模拟一致，确定的转移长度约为211 nm。此外，对传统硅-on-绝缘体（silicon-on-insulator, SOI）器件的操作XSTM测量提取到约55 nm的转移长度，与TL、TLM估计值吻合良好，证实了该方法的广泛适用性。

**讨论与结论**

研究人员利用操作XSTM/STS技术，以亚纳米空间分辨率直接探测了金属/二维半导体界面处的载流子转移长度。测量结果显示，优化的Bi-MoS?接触具有约2–3 nm的超短转移长度，满足1 nm技术节点投影的接触缩放要求（<18 nm）。这些结果为二维晶体管接触缩放可深入深纳米尺度提供了直接实验证据，与近期产业预测一致。然而，p型接触仍有待大幅改进。

研究结论指出：该工作建立的operando XSTM可作为通用计量学方法，直接解析包括二维材料、异质结和硅技术在内的广泛器件架构中的载流子注入物理，为理解接触缩放极限提供实验基础，并将在指导未来超缩放电子器件设计方面发挥重要作用。