通过无残留场效应晶体管开创超越硅技术

一场技术革命即将到来，它将改变我们使用的设备。在 LEE Young Hee 教授的杰出领导下，韩国基础科学研究所 (IBS) 集成纳米结构物理中心的一组富有远见的研究人员公布了一项新发现，可以极大地改善场效应的制造晶体管(FET)。

高性能场效应晶体管 (FET) 是下一代超硅半导体技术的重要组成部分。当前的 3 维硅技术在器件小型化到低于 3 纳米尺度时会遭遇 FET 性能下降的问题。为了克服这一限制，研究人员在过去十年中研究了单原子厚(~0.7 nm)二维(2D)过渡金属二硫属化物(TMD)作为理想的 FET 平台。然而，由于无法展示晶圆级集成，它们的实际应用受到限制。

一个主要问题是制造过程中出现的残留物。传统上，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)用作器件转移的支撑架。这种材料因在 TMD 表面留下绝缘残留物而臭名昭著，这通常会在转移过程中对脆弱的 TMD 片材造成机械损坏。作为 PMMA 的替代品，其他几种聚合物如聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、聚乙烯醇 (PVA)、聚苯乙烯 (PS)、聚碳酸酯 (PC)、乙烯醋酸乙烯酯 (EVA)、聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 以及包括石蜡、纤维素在内的有机分子乙酸盐、萘都被提议作为支持物。然而，在转移过程中不可避免地会产生残留物和机械损伤，从而导致 FET 性能下降。

IBS 研究人员解决了这个问题，并通过成功利用聚碳酸亚丙酯 (PPC)进行无残留湿转印，取得了有趣的突破。使用 PPC 不仅消除了残留物，而且还允许使用化学气相沉积来生产晶圆级 TMD。以前制造大规模 TMD 的尝试经常会导致在转移过程中出现皱纹。PPC 和 TMD 之间的弱结合亲和力不仅消除了残留物，还消除了皱纹。

该研究的第一作者 Ashok MONDAL 先生表示：“我们选择的 PPC 转移方法使我们能够制造厘米级的 TMD。此前，TMD仅限于使用冲压方法生产，该方法产生的薄片尺寸仅为30-40微米。”

研究人员使用具有单层 MoS 2的半金属 Bi 接触电极构建了 FET 器件，该电极通过 PPC 方法转移。发现少于0.08%的PPC残留物保留在MoS 2层上。由于没有界面残留物，该器件的欧姆接触电阻为 R C ~78 Ω-μm，接近量子极限。使用 h-BN 基板还实现了 15 K 时约 10 11的超高电流开/关比和约 1.4 mA/μm 的高导通电流。

这一发现是世界上第一个证明了 CVD 生长的 TMD 的晶圆级生产和转移的发现。人们发现以这种方式生产的最先进的 FET 器件的电性能远远超过了之前报道的值。相信利用目前可用的集成电路制造技术可以容易地实现该技术。

该研究的共同通讯作者 Chandan BISWAS 博士表示：“希望我们在无残留 PPC 转移技术方面的成功能够鼓励其他研究人员在未来对各种 TMD 设备进行进一步改进。”

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