研究背景：

傳統矽基技術在亞3nm節點接近其物理極限，亟需新的半導體材料來實現集成電路的進一步縮放👨🏿‍🎤😛。二維半導體憑借其原子級超薄結構和高遷移率優勢，能夠在超短溝道晶體管中實現優異的靜電控製和開態特性，被視為亞1nm技術節點集成電路芯片的潛力溝道材料🤽🏿‍♂️，受到全球領先半導體芯片企業和研究機構（如英特爾👩🏼‍🍼、臺積電、三星和歐洲微電子中心）的高度關註。然而，二維晶體管面臨嚴重的金屬-半導體接觸費米釘紮效應，這極大地製約了二維晶體管性能。因此，如何實現二維半導體和金屬電極的歐姆接觸是製備高性能彈道晶體管的關鍵因素🚠。此外，目前國際上實現的高性能二維晶體管多基於機械剝離或厘米級的二維單晶🛞，如何基於晶圓級二維半導體實現高性能晶體管的規模化製備🙋🏻‍♂️⬜️，是推動二維電子學從實驗室走向工業應用（Lab-to-Fab）的核心挑戰。

近期，意昂3体育官网電子學院彭練矛院士-邱晨光研究員課題組在二維半導體集成工藝方面提出了“稀土釔元素誘導相變理論”🦹🏽‍♀️，並發明了“原子級精準選區摻雜技術”，突破了傳統離子註入摻雜結深無法小於5納米的工程限製，首次將源漏選區的摻雜深度推進到單原子層0.5納米極限👩🏿‍🎤，並基於二維半導體晶圓規模化製備出超短溝道彈道晶體管，實現了理想的歐姆接觸和開關特性，有潛力構建未來更高性能🪿🫸🏿、更低功耗的亞1納米技術節點芯片。相關研究成果以“Yttruim-doping-induced metallization of molybdenum disulfide for ohmic contacts in two-dimensional transistors”為題🤵🏻‍♂️，2024年5月27日在線發表於《自然·電子學》（Nature Electronics）。姜建峰博士與徐琳博士為共同第一作者🤗，邱晨光和彭練矛為共同通訊作者🏇🏿，意昂3体育官网電子學院為通訊單位。論文合作者為中國科學院物理所張廣宇研究員與杜羅軍研究員🙅🏿。

圖1 Nature Electronics官網論文截圖

本研究工作實現了以下四方面技術革新：

第一，開創性地提出了“稀土元素誘導二維金屬化理論”。該技術通過釔原子摻雜誘導的方式，將接觸區域的二維半導體轉變為二維金屬，並以此二維金屬作為金屬與半導體之間的緩沖層🙆‍♂️，抑製了界面處的費米釘紮效應☑️，該緩沖層作為“橋梁”，有效地提高了載流子從金屬到半導體的傳輸效率💁🏼‍♀️。釔原子摻雜有效調控了二維金屬的費米能級的位置🚵🏼‍♂️，以實現理想的能帶對齊和器件的歐姆接觸，克服了本征二維相變固有肖特基勢壘的科學挑戰🏋🏻‍♂️。

圖2 單原子層摻雜誘導二維金屬化歐姆接觸技術的理論圖解

第二，發明了“原子級可控精準摻雜技術”。設計了超低功率軟等離子體-固態源活性金屬沉積-真空退火的三步法原子級摻雜工藝，有效地將固態源摻雜劑釔原子擴散註入進精細圖案化的二維接觸區域表面，這種新型的接觸摻雜策略可以兼容於1nm技術節點的光刻工藝。

圖3 原子級摻雜誘導二維金屬化的系統表征

第三🦶，在晶圓級二維半導體中實現了理想的歐姆接觸🕘。將接觸電阻推進至量子理論極限🔣，器件總電阻低至235Ω·μm🤹🏿‍♂️，統計的傳輸線法（TLM）平均接觸電阻僅為69±13Ω·μm💗，滿足國際半導體技術路線圖對集成電路未來節點晶體管電阻的要求。

圖4 雙柵10nm超短溝道二維晶體管的器件結構和歐姆接觸表征

第四🧑🏼‍🚀🌐，在大規模超短溝道的二維晶體管陣列中展示出卓越的綜合電學特性。展示出理想的開關行為𓀑，並能有效地抑製短溝道效應🏂🏻，室溫彈道率高達79%，四個量級電流範圍內的平均亞閾值擺幅SS為67mV/Dec🥋；平均開態電流密度高達0.84mA/μm🛕；最大跨導提升至3.2mS/μm，比其他同類二維TMDs器件提高近一個數量級👨🏻‍🏫。

圖5 超短溝道二維晶體管規模陣列的電學特性

這項工作從物理機製上闡明了稀土元素釔摻雜二維相變技術的底層過程，並展示了晶圓級大規模製備高性能二維晶體管的可行性，器件的關鍵電子學參數滿足先進節點集成電路的要求，展示出二維半導體在未來節點集成電路應用的性能潛力🤵🏼，為推動二維電子學從實驗室走向工業界（Lab-to-Fab）提供了重要的理論參考和實驗依據。