精确掺杂二维半导体：单片集成电路的创新解决方案

来自 实验室仪器网

最近科研人员研究了一种精确的二维(2D)半导体p型和n型替代掺杂方法。该方法用于一步生长空间选择性和精确掺杂的2H-MoTe2薄膜。然后使用这些薄膜制造芯片大小的2D互补金属氧化物半导体(CMOS)反相器阵列，论文发表在《自然通讯》上。

掺杂是半导体器件制造中必不可少的工艺。例如，在熔化过程中用磷或硼掺杂硅可产生具有不同导电类型和水平的单晶硅晶片。通过离子注入精确掺杂p型和n型区域的能力对于调整CMOS场效应晶体管(FET)的阈值电压也很重要。

二维半导体厚度仅为原子级，具有堆叠潜力，为半导体技术的发展提供了机遇。然而，在大规模集成电路中使用二维半导体需要精确控制图案化p型和n型通道的制造，并进行精确掺杂。

离子注入等传统技术不适用于二维半导体，目前尚未建立可控的p型和n型掺杂的通用方法。本研究介绍了一种通过置换掺杂合成2H-MoTe2的方法，该材料具有空间可图案化和精确控制掺杂剂类型和浓度。

采用磁控溅射法（Mo掺Nb或Re薄膜）和化学气相沉积法（Nb掺杂或Re掺杂的2H-MoTe2）在1英寸Si/SiO2衬底上生长Nb掺杂或Re掺杂的2H-MoTe2薄膜，2H-MoTe2薄膜中Nb掺杂率分别为0.10%、0.19%、0.20%和0.27%，Re掺杂率分别为0.06%、0.09%、0.24%和0.42%。

背栅器件采用Nb掺杂或Re掺杂的2H-MoTe2薄膜（~5nm）制作。通道通过光刻和反应离子蚀刻定义。Pd/Au（10/30nm）电极用于接触2H-MoTe2通道，而Bi/Au（10/30nm）电极用于2H-MoTe2通道。霍尔器件采用相同工艺制作。然后，所有器件都覆盖有通过原子层沉积沉积的20nmAl2O3层，以防止它们暴露在空气中。

使用相同程序在空间图案化的掺杂2H-MoTe2膜上制作CMOS反相器。不过，使用Ti/Au(10/30nm)电极接触n型通道，因为CMOS器件在300°C下进行30秒的快速热退火(RTA)，以消除Al2O3电介质中的陷阱状态。

使用拉曼光谱、原子力显微镜(AFM)、开尔文探针力显微镜(KPFM)和扫描透射电子显微镜(STEM)对器件进行表征。分别使用半导体表征系统和源表测量晶体管和霍尔器件的电特性。

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