（通讯员 史新航）9月9日，《纳米快报》（Nano Letters）在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心李学飞副研究员课题组题为《高热导率的氧化铍栅介质抑制硫化钨晶体管中的自热效应》（Improved Self-Heating in Short-Channel Monolayer WS2 Transistors with High-Thermal Conductivity BeO Dielectrics）的论文。中心博士生史新航为论文第一作者，李学飞副研究员、北京大学吴燕庆研究员为共同通讯作者，团队研究生郭琪、高寒、曾敏、闫世伟以及中心韩一波教授参与相关工作。
随着场效应晶体管尺寸的不断微缩，传统的硅基CMOS逐渐逼近物理极限。原子级厚的二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）单层材料为延续摩尔定律提供了可能的解决方案，其中有效质量小、禁带宽度大、热注入速度高的单层二硫化物（WS2）吸引大量的研究兴趣。然而，对于短沟道器件来说，在高电场和大电流的情况下会产生大量的热，热的积累会反过来限制器件的电学性能和可靠性。因此，研究热输运对于高性能晶体管器件至关重要。目前常用的栅介质为低热导率的氧化硅或者氧化铪，限制了二维晶体管性能。
为了制备高质量WS2晶体管器件，该研究利用盐辅助的低压化学气相沉积（LPCVD）工艺生长出尺寸可达80μm的高质量单层单晶，并利用水辅助转移方法实现了单层WS2从蓝宝石基底到任意目标衬底的无损转移。该转移方法与传统的碱溶液刻蚀转移相比，既能保证转移后材料的质量，又不会对生长衬底造成任何损伤。通过扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、低温光致发光光谱（Raman）、二次谐波（SHG）等多种表征方法对转移后的单层WS2进行了表征，证明了水辅助转移方法的优越性。
图1 转移后的单层WS2的材料表征
为了解决二维材料短沟道器件自热效应的问题，该研究利用高热导率的氧化铍（BeO）作为单层WS2晶体管的栅介质。与栅介质为氧化铪（HfO2）的晶体管相比，BeO上单层WS2的载流子迁移率提升了62%，这主要得益于BeO的热导率（330 W/K·m）是HfO2热导率（23 W/K·m）的14.3倍，而且BeO带隙较大，能在高场下提供较小的栅极电流。该BeO利用原子层沉积技术（ALD）制备，可以精确控制BeO的厚度且保证高表面质量，并在此基础上成功制备了高性能n型WS2晶体管器件。沟道长度为50nm的短沟道器件在1V源漏电压下，电流达到了325μA/μm，开关比108，跨导达到150μS/μm；2V源漏电压下可以达到461μA/μm的饱和电流，为文献报道的最大值，且没有出现负微分电阻的现象。本文还进一步研究了基于BeO和HfO2的WS2晶体管的低频噪声，并将该研究的电学特性与文献中的电学特性进行了对比，充分证明了基于BeO的单层WS2在高性能电子器件中的应用潜力。
图2 基于BeO介质和HfO2介质的高性能单层WS2晶体管器件
综上，该研究首次在高热导率的BeO介质上制备了高性能的单层WS2晶体管器件，有效提高了器件的热扩散并抑制了自热效应，其饱和电流、跨导、开关比均达到文献报道最大值。该研究的实验结果为未来实现高性能二维过渡金属硫族化合物电子器件提供了一种可靠并且可扩展的方法。
该工作得到了国家自然科学基金委员会及我校等各类项目资助，并得到国家脉冲强磁场科学中心实验平台的大力支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c02901
